Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Мирошниченко Алексей Юрьевич

Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов
<
Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Мирошниченко Алексей Юрьевич. Расчет и проектирование многолучевых пространственно-развитых резонансных систем свч приборов клистронного типа и их гибридов: диссертация ... доктора технических наук: 05.27.02 / Мирошниченко Алексей Юрьевич;[Место защиты: Саратовский государственный технический университет].- Саратов, 2015.- 293 с.

Содержание к диссертации

Введение

1 Анализ современного уровня развития многомодовых пространственно развитых резонансных систем и их применения в мощных электровакуумных приборах клистронного типа 20

1.1 Анализ современного состояния разработок электровакуумных приборов, использующихся в качестве мощных источников микроволнового излучения 20

1.2 Резонаторы для мощных электровакуумных приборов СВЧ клистронного типа

1.2.1 Однозазорные многоканальные резонансные системы с различной упаковкой пролетных каналов 21

1.2.2 Двухзазорные и многозазорные резонаторы 22

1.2.3 Многоканальные резонаторы с неплотным расположением электронных пучков, возбуждаемые на высших видах колебаний 25

1.2.4 Пространственно-развитые резонаторы с пассивными сумматорами мощности 27

1.3 Многочастотные резонансные системы 29

1.3.1 Несинусоидальная скоростная модуляция 30

1.3.2 Конструкции однозазорных резонаторов для несинусоидальной скоростной модуляции 35

1.3.3 Конструкции двухзазорных резонаторов для несинусоидальной скоростной модуляции 37

1.3.4 Резонаторы с кратными частотами основного и высших видов колебаний

.13.4.1 Двухчастотные резонаторы коаксиального типа 39

1.3.4.2 Резонаторы с кратными резонансными частотами 42

1.3.4.3 Резонаторы с тремя кратными частотами 45

1.4 Многолучевые электровакуумные приборы СВЧ клистронного типа, содержащие резонаторы с кратными частотами разных видов колебаний.

1.4.1 Описание основных резонансных систем 48

1.4.2 Применение резонаторов с кратными частотами в многолучевых электровакуумных приборах СВЧ клистронного типа 49

1.5 Фрактальные резонаторы 52

1.6 Резонансные системы монотронных генераторов 54

1.6.1 Многолучевые монотроны с многозазорными электродинамическими системами 61

1.6.2 Секторные многоканальные пространственно-развитые резонаторы в многолучевых монотронах 64

1.6.3 Резонаторы для многолучевых монотронов с возможностью кратности частот 66

1.6.4 Режим кратности частот в двухзазорном двухмодовом резонаторе, установленном на выходе многолучевого монотрона 68

1.7 Резонаторы для сверхмощных СВЧ-приборов с четвертьволновыми и полуволновыми резонансными отрезками 70

1.7.1 Конструктивные особенности электродинамических систем с подвешенной керамической подложкой и микрополосковыми резонаторами 74

1.7.2 Связанные микрополосковые резонаторы 75

1.8 Методы расчета резонансных систем 76

Выводы 78

2 STRONG Аналитический расчет и оптимизация параметров многоканальных однозазорных резонаторов 79

STRONG 2.1 Нелинейные критерии подобия резонаторов 79

2.1.1 Показатель эффективности резонатора, обеспечивающий максимум полосы усиления однолучевых и многолучевых клистронов 79

2.1.2 Показатель эффективности обмена энергией между волнами пространственного заряда в многолучевом электронном потоке и полем резонатора 85

2.2 Аналитический расчет и оптимизация параметров многоканального однозазорного резонатора квадратной формы, настроенного на резонансные частоты кратные двум 89

Выводы 95

3 Аналитический расчет и оптимизация параметров многоканальных двухзазорных и многозазорных резонаторов 96

3.1 Моделирование электродинамических параметров двухзазорного клистронного резонатора 96

3.1.1 Методика аналитического расчета резонансной частоты и характеристического сопротивления 97

3.1.2 Аналитический метод расчета эквивалентной емкости двойного бессеточного зазора 99

3.1.3 Определение эквивалентной емкости двойного бессеточного зазора с помощью метода планируемого эксперимента 101

3.1.4 Методика экспериментального определения характеристического сопротивления 102

3.1.5 Оценка точности полученных результатов

3.2 Аналитический расчет и оптимизация параметров многоканального двухзазорного резонатора с двумя кратными резонансными частотами.. 106

3.3 Аналитический расчет и оптимизация параметров многоканального двухзазорного резонатора с тремя кратными резонансными частотами... 111

3.4 Многолучевой двухзазорный резонатор секторного типа 3.4.1 Конструкция резонансной системы 115

3.4.2 Результаты теоретических расчетов 117

3.4.3 Результаты эксперимента 119

3.5 Многолучевой прямоугольный четырехзазорный резонатор 121

3.5.1 Результаты моделирования 121

3.5.2 Расчет коэффициента взаимодействия и относительной электронной проводимости резонатора 127

3.5.3 Экспериментальные исследования четырехзазорного резонатора. Выводы 134

4 Разработка методов анализа и синтеза многочастотных двухзазорных резонаторов с резонансными отрезками полосковых линий 136

4.1 Многочастотный однолучевой двухзазорный резонатор с подвешенной диэлектрической подложкой и четвертьволновой резонансной линией 136

4.1.1 Результаты моделирования четвертьволновой многочастотной конструкции резонатора с диэлектрической подложкой из керамики... 137

4.1.2 Результаты моделирования четвертьволновой многочастотной конструкции резонатора с диэлектрической подложкой из высокочастотной фторопласта 140

4.2 Результаты аналитического расчета и эксперимента многоканального многочастотного двухзазорного резонатора S-диапазона, выполненного на основе полосковой линии с подвешенной керамической подложкой 147

4.2.1 Конструкция многоканального двухзазорного полуволнового резонатора с подвешенной керамической подложкой с двумя кратными резонансными частотами 147

4.2.2 Численное моделирование многоканального двухзазорного полуволнового резонатора с подвешенной керамической подложкой с двумя кратными резонансными частотами 148

4.2.3 Экспериментальные исследования многоканального двухзазорного полуволнового резонатора с подвешенной керамической подложкой с двумя кратными резонансными частотами 151

4.3 Двухзазорный резонатор для миниатюрных многолучевых микроволновых приборов клистронного типа, выполненный на основе полосковой линии с подвешенной керамической подложкой Х-диапазона.. 156

4.3.1 Конструкции четвертьволнового и полуволнового двухзазорных резонаторов с подвешенной керамической подложкой 156

4.3.2 Результаты моделирования четвертьволнового и полуволнового двухзазорных резонаторов с подвешенной керамической подложкой.. 157

4.4 Двухзазорный многоканальный резонатор, выполненный на основе полосковой линии с подвешенной керамической подложкой с ассиметричной полосковой линией 162

Выводы 165

5 Разработка методов анализа и синтеза характеристик многочастотных двухзазорных резонаторов с электродами сложных форм при их взаимодействии с многолучевым электронным потоком 167

5.1 Новые типы многолучевых пространственно-развитых электродинамических систем для высокоэффективных СВЧ-приборов клистронного типа 167

5.1.1 Описание конструкции резонаторов 167

5.1.2 Результаты численного расчета и эксперимента пространственно-развитого резонатора с опорным стержнем, расположенным на оси прибора 168

5.1.3 Результаты экспериментальных исследований 175

5.1.3.1 Резонатор с радиальным расположением опорного стержня.. 175

5.1.3.2 Результаты экспериментальных исследований резонатора с

расположением опорного стержня на оси прибора 179

5.2 Двухзазорные резонаторы фрактального типа 181

5.2.1 Методика расчета резонансной ячейки фрактального резонатора. 182

5.2.2 Результаты численных исследований резонансных ячеек 186

5.3 Исследование режима двухмодового взаимодействия полей фрактального двухзазорного резонатора с электронным потоком 188

5.3.1 Особенности фрактальных резонаторов 189

5.3.2 Электродинамические характеристики 191

5.3.3 Исследование трехмерного характера распределения продольной компоненты ВЧ поля в пространстве взаимодействия 194

5.3.4 Оценка эффективности взаимодействия с электронным потоком.. 197

Выводы 200

6 Применение новых типов пространственно-развитых электродинамических систем в СВЧ приборах клистронного типа 202

6.1 Усилительный клистрод с пространственно-развитой электродинамической системой 202

6.2 Двухзазорные пространственно-развитые резонаторы для клистрода утроителя частоты 208

6.2.1 Численное моделирование резонансных систем 210

6.3 Резонаторная пространственно-развитая электродинамическая система для СВЧ приборов клистронного типа 214

6.4 Применение пространственно-развитых резонаторов в конструкциях мощных многолучевых монотронов 219

6.4.1 Электродинамические системы многолучевых монотронов 219

6.4.2 Исследование трехзазорного резонатора мощного многолучевого автогенератора монотронного типа 220

6.4.3 Исследование и оптимизация выходных параметров мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором, возбуждаемого на синфазном виде колебаний 223

6.5 Исследование условий возбуждения монотронных колебаний многолучевым электронным потоком в трехзазорном резонаторе с подвешенной керамической подложкой 228

6.5.1 Модель резонатора 229

6.5.2 Моделирование электродинамических и электронных параметров. 231

6.5.3 Расчет характеристического сопротивления резонатора 232

6.5.4 Расчет электронных параметров 234

6.5.5 Новый тип монотронного микроволнового генератора с матричным автоэмиссионным катодом 235

6.6 Исследование и оптимизация электродинамических параметров двухзазорного резонатора многолучевого генератора с тормозящим полем с матричными автоэмиссионными катодами 244

6.6.1 Методика аналитического расчета электродинамических параметров резонатора

6.6.2 Экспериментальные исследования генератора с тормозящим полем с двухзазорным резонатором 253

6.6.3 Новый тип генератора с тормозящим полем и матричным автоэмиссионным катодом 260

Выводы 270

Заключение 274

Список литературы

Однозазорные многоканальные резонансные системы с различной упаковкой пролетных каналов

В современной электронике СВЧ в качестве источников интенсивного электромагнитного излучения обычно выступают магнетроны, многорезонаторные клистроны, клистроны распределенного взаимодействия и гиротроны [1]. Первичный фактор, ограничивающий максимальную выходную мощность и КПД магнетрона - большая удельная тепловая нагрузка на анод. Магнетрон на частоте 24 ГГц позволяет получить всего 0,2 кВт при КПД около 35%. Кроме того магнетрон имеет небольшой срок службы (около 5000 ч.). Клистрон позволяет получить выходную мощность порядка 5 кВт с КПД около 30%. Однако он имеет в К-диапазоне частот сравнительно большие массу (около 30 кг) и габариты (20x20x27 см). Гиротрон имеет высокий КПД (около 60%) и позволяет получить большую мощность (около 10 кВт). Однако его массогабаритные характеристики еще хуже.

Среди источников средней мощности в этой области частот наиболее перспективен по комплексу энергетических и массогабаритных параметров клистрон распределенного взаимодействия (КРВ), точнее генератор распределенного взаимодействия. Он имеет наилучшее среди всех рассматриваемых приборов отношение выходной мощности к массе прибора или его объему при близких к магнетрону значениях электронного КПД. Однако его недостатком является высокое ускоряющее напряжение.

Этот же недостаток имеет и обычный монотрон [2-4]. Монотрон - это автогенераторный электровакуумный прибор пролетного типа, в котором все электронные процессы происходят в одном пространстве взаимодействия. Исследование механизмов генерации микроволнового излучения при пропускании смодулированного электронного потока через резонатор при больших углах пролета электронного потока давно привлекало к себе внимание исследователей из-за простоты конструкции такого устройства [5-8].

СВЧ-приборы клистронного типа [9, 10] широко используются в системах радиолокации, радиопротиводействия и в других областях техники. Одним из основных требований, предъявляемым к мощным усилительным клистронам является получение высокого КПД 70-80%.

Выходные параметры таких приборов существенно зависят от конструкции и параметров резонаторных систем. В мощных многолучевых приборах (клистронах, клистродах) используется несколько электронных пучков, каждый из которых распространяется в своем индивидуальном пролетном канале. Примером таких систем могут служить обычные однозазорные тороидальные клистронные резонаторы с упаковкой пролетных каналов в единой пролетной трубе. Однозазорный многоканальный резонатор представлен на Рисунке 1.1.

Источник [11] описывает принципы работы, а так же виды конструкций двухзазорных резонаторов (Рисунок 1.3). Например, резонатор, показанный на Рисунке 1.3,6, можно рассматривать как отрезок коаксиальной линии, закороченный на одном конце и нагруженный емкостью зазоров на другом. Резонанс в такой конструкции наблюдается, когда длина отрезка линии близка к четверти длины волны колебаний, при этом электрические поля в зазорах имеют противоположные направления (л-вид колебаний). Такой резонатор отличается очень хорошим разделением частот, так как следующий вид колебаний имеет собственную частоту почти в 3 раза выше, чем основной (длина линии равна 3/4 длины волны). В то же время добротность резонаторов данной конструкции сравнительно невелика.

Кольцевые резонаторы также можно выполнить двухзазорными (Рисунок 1.3,г). Особенностью этой конструкции является сохранение аксиальной симметрии, что облегчает ее расчет. Более низкую собственную частоту в кольцевом резонаторе имеет 0-вид колебаний. Разделение частот между ним ил-видом определяется степенью связи между ячейками.

Конструкции многозазорных резонаторов с креплением пролетных труб на радиальных стержнях и диафрагмах показаны на Рисунке 1.4. В первой конструкции (структуре Альвареца) основным при достаточно тонких и длинных стержнях (Рисунок 1.4,а) является 0-вид колебаний. При этом на длине резонатора укладывается половина длины волны колебаний. Такие резонаторы используются в ускорителях ионов, причем зазоры между трубами могут быть неодинаковыми, увеличиваясь по мере увеличения скорости частиц.

Многозазорный резонатор с диафрагмами и щелями (Рисунок 1.4,6) применяется в основном в мощных клистронах с распределенным взаимодействием. Рабочим в этом резонаторе является л-вид колебаний, имеющий самую низкую собственную частоту. На Рисунке 1.5 изображен многозазорный резонатор, выполненный из отрезка бипериодической замедляющей системы (структура Андреева) Проводящие шайбы, расположенные внутри резонатора, крепятся на нескольких продольных проводящих или изолирующих стержнях, закрепленных во внешней оболочке. Такой резонатор можно рассматривать как последовательность активных и пассивных ячеек, причем полный период содержит одну активную и одну пассивную ячейки. В качестве рабочего в таком резонаторе используется л/2- вид колебаний, продольная составляющая электрического поля которого максимальна в активных ячейках и равна нулю в пассивных (Рисунок 1.3,г). Однако, поскольку пассивные ячейки вынесены из пространства взаимодействия, эффективность резонатора не снижается (по сравнению с 0- или л-видом), так как в каждом высокочастотном зазоре, находящемся на пути заряженных частиц, существует максимальное электрическое поле.

Достоинством кольцевых резонаторов на высшем виде колебаний является возможность обеспечения при неплотном расположении электронных пучков более благоприятных условий для рассеивания тепла, выделяющегося на пролетных трубах. Еще одно достоинство, которое также обусловлено неплотным расположением пучков, заключается в возможности обеспечения большой сходимости пучков в парциальных пушках, что позволяет разгрузить катоды. Как следствие, это повышает долговечность прибора.

К недостаткам резонаторов на высшем виде колебаний относится малое характеристическое сопротивление, определяющее полосу усиливаемых частот, которая оценочно близка к полосе аналогичного однолучевого прибора с тем же напряжением и в N раз меньшим током. Таким образом, на высшем виде колебаний такой резонатор можно рассматривать как своеобразный сумматор мощности активного типа. Дополнительное расширение полосы обеспечивается применением

Разновидности многолучевых резонаторов далеко не исчерпываются конструкциями, приведенными выше. Резонаторы на высшем виде колебаний имеют преимущество в тех случаях, когда необходимо получить максимально возможную мощность при минимальной величине напряжения анода [12]. В ряде случаев более эффективно работают резонансные системы с пассивными стабилизирующими резонаторами.

Показатель эффективности обмена энергией между волнами пространственного заряда в многолучевом электронном потоке и полем резонатора

На основе проведенных строгих численных расчетов, на примере тороидальных резонаторов, и применения методов математического моделирования получены приближенные аналитические выражения, связывающие основные электродинамические параметры этих резонаторов с их геометрическими размерами. Погрешность расчета этих параметров не превышает 2-3% даже тогда, когда диаметр пролетных труб мал, а высота резонатора при заданном зазоре велика. Получено также выражение для нелинейного показателя качества резонатора (Nonlinear Figure of Merit-NFOM). Этот показатель можно использовать для сравнения по величине характеристического сопротивления разных типов резонаторов, например, однозазорных и двухзазорных.

Широко известные приближенные формулы расчета тороидальных резонаторов, используемые, например, в микроволновых приборах клистронного типа [68], не обеспечивают в ряде случаев требуемой точности. Особенно большая погрешность расчета получается при вычислении резонансной длины волны X, его характеристического сопротивления р, когда диаметр пролетных труб мал, а высота резонатора при заданном зазоре велика [68]. Для сравнения различных типов резонаторов необходимо иметь эталонный критерий подобия. С его помощью можно было сравнивать разные конструкции резонаторов по величине характеристического сопротивления. Схематическое изображение исследуемого резонатора приведено на Рисунке

Рассмотрим сначала простой цилиндрический резонатор (d=h). Если такой резонатор возбуждается на виде Е0ю, (ТМ0ю) то, используя условие резонанса X=2.6\4R, а также выражение для характеристического сопротивления /)=188.5-М? [69], нетрудно найти следующее соотношение:

Воспользуемся для этого сначала результатами численных расчетов [2], выполненных с помощью программы анализа полых резонаторов (cavity with axial symmetry) [70]. Эти результаты приведены на Рисунке 2.2.

Можно свести эти зависимости к одной обобщенной кривой, если, используя теорию подобия, провести нормировку текущих значений характеристического сопротивления каждой кривой на нормирующий множитель, в качестве которого выберем, согласно (2.1), произведение 492.7- h В окончательном виде полученная обобщенная кривая представлена на Рисунке 2.4.

Эта зависимость имеет нелинейный характер за счет влияния на условия резонанса индуктивного сопротивления пролетных труб. Для сравнения разных типов резонаторов необходимо ввести новый критерий Псау; который будет учитывать этот эффект. Он должен включать в себя, в отличие от формулы (2.1), знаменатель, который нелинейно зависит от нормированной высоты резонатора hA. С этой целью по программе [70] был рассчитан ряд резонаторов, которые были настроены на одну частоту f=2450 МГц.

Размеры зазора и радиуса пролетной трубы были выбраны типичными для заданного частотного диапазона. В процессе расчетов влияние высоты резонатора на резонансную частоту компенсировалось путем подбора соответствующего радиуса резонатора. В таблице 2.1 представлены результаты расчетов. Таблица 2. rx, mm 3 3 3 3 3 3

Погрешности расчета характеристического сопротивления, а также радиуса резонатора не превышают 2-3% даже тогда, когда диаметр пролетных труб мал, а высота резонатора при заданном зазоре велика. Найденный нелинейный показатель качества резонатора (NFOM) можно использовать в качестве критерия при сравнении по величине характеристического сопротивления разных типов резонаторов, например, однозазорных и двухзазорных. 2.1.2 Показатель эффективности обмена энергией между волнами пространственного заряда в многолучевом электронном потоке и полем резонатора Во всех известных работах [71-74], посвященных вопросам оценки КПД клистронов, исследовалась зависимость КПД только от микропервеанса пучка /0 10 J/ U , где Uо - ускоряющее напряжение, 10 - ток пучка.

Наиболее полный численный анализ влияния первеанса пучка на величину максимального КПД це клистрона выполнен в работе [71]. В ней отмечается, что кривая це от рм имеет в области значений рм= ОЛ + 0.2 точку насыщения т/е(тах) 0.92, соответствующую оптимальному сочетанию воздействующих на электроны внешних сил и сил пространственного заряда. Ищрм 0.1 происходит резкий спад КПД до значений це = 0.55, близких к данным кинематического расчета. При рм 0.2 электронный КПД монотонно уменьшается с ростом первеанса. Точка насыщения смещается по оси абсцисс в зависимости от величины угла пролета по радиусу пучка yb, где у=ю/Уо постоянная распространения. В работе [72] отмечается, что электронный КПД и первеанс связаны соотношением це = 0.9-0.2рм. Однако, полученные ранее численные и аналитические оценки не отражают особенностей поведения кривой це = f(pM) как при очень малых, так и при предельно больших первеансах. Кроме того, в известных работах не учтено влияние на КПД угла пролета уЪ и коэффициента заполнения Ъ/а, а- радиус пролетного канала.

Целью являлось получение с помощью методов теории подобия универсальной зависимости КПД от параметра пространственного заряда q = a l а = f(b/a, yb), где со = со R - приведенная плазменная частота; со = /- утє0 - плазменная частота (функция плотности заряда); Rp =coql сор. С помощью методики нелинейного подобия в настоящей работе установлена общая закономерность поведения электронного КПД клистрона от параметров пространственного заряда, которая описывается одним универсальным уравнением, имеющим простой вид уравнения окружности (Рисунок 2.5).

Методика экспериментального определения характеристического сопротивления

Измерения резонансных частот данного резонатора проводились с помощью анализатора спектра со встроенным трекинг- генератором GSP-7830 и измерителя АЧХ Х1-42 (Рисунок 3.32). В ходе проведения экспериментальных исследований были получены значения собственных резонансных частот резонатора, добротности, для четырех модификаций резонатора, а так же построены графики отражающие зависимости данных величин.

Теоретические (сплошные линии) и экспериментальные (пунктирные линии) зависимости частоты от длины стержня

Из рисунка можно видеть хорошее совпадение экспериментальных и теоретических результатов. Наблюдается кратность частот синфазного F2 и противофазного Fi видов колебаний. Подобный резонатор может найти применение в приборах клистронного типа дециметрового диапазона.

Проведено физическое и математическое моделирование двухзазорного резонатора, используемого в конструкциях пролетных усилительных клистронов. Предложены уточненные математические модели этой электродинамической системы, которые могут найти применение в программах оперативной оптимизации СВЧ приборов клистронного типа. Проведенный анализ адекватности полученных моделей показал, что в выбранных диапазонах изменения влияющих факторов погрешности расчета не превышают следующих значений: резонансной частоты противофазного вида колебаний - 1%, характеристического сопротивления - 5%. Полученные аналитические соотношения позволяют оперативно провести расчет параметров многолучевого резонатора, не прибегая к трудоемким и дорогостоящим экспериментам и расчетам.

С помощью программы 3D компьютерного моделирования «REZON», исследовалось влияние неоднородности ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия на электродинамические и электронные характеристики двухзазорной многолучевой резонансной системы. В результате проведенных численных расчетов были найдены оптимальные параметры конструкции резонатора, предназначенного для одновременной работы на частотах 2450 МГц (противофазный вид колебаний - ПФ) и 4900 МГц (синфазный вид колебаний - СФ). Дана количественная оценка степени неоднородности ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия. Исследовано ее влияние на электродинамические и электронные характеристики исследуемой резонансной системы.

С помощью программы трехмерного моделирования осуществлен синтез многоканального двухзазорного цилиндрического резонатора с тремя кратными резонансными частотами основного fi и двух высших (f2=2fi, /з=3/і) видов колебаний. В результате проведенных строгих численных расчетов были найдены такие форма и положение элемента перестройки, при которых обеспечивается подстройка на 3 кратные резонансные частоты.

Проведено теоретическое и экспериментальное исследование 6-контурного резонаторного блока секторного типа, отдельные контура которого связаны между собой кольцевой полосковой линией. Основываясь на эквивалентной схеме резонатора, рассчитаны основные параметры резонансной системы: суммарная эквивалентная емкость резонатора Со=0,43 пФ, волновое сопротивление Z0=165,885OM, эквивалентная индуктивность 0=37,13нГн, резонансная частота /о=1258,34МГц, характеристическое сопротивление ро=364,0\ Ом, собственная добротность резонатора 2о=565,68. Проведено исследование поведения резонансной кривой в случае соединения двух контуров резонансного блока при помощи полосковой линии и осуществлено сравнение с данными получившимися при использовании программы расчета фильтров Filter Solutions. В результате получена достаточно устойчивая широкополосная фильтровая характеристика с незначительным уменьшением амплитуды сигнала.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования многолучевого четырехзазорного прямоугольного резонатора для приборов клистронного и клистродного типов. С помощью программы 3D моделирования детально изучены особенности физических процессов в резонаторе для различных мод колебаний. Показано что, за счет оптимального выбора размеров резонатора и путем изменения длины линии связи, возможно подстроить основной противофазный вид колебаний (частота - Fj) и синфазный тип колебаний (частота - F2) на кратные резонансные частоты (F2 = 2Fj). При этом можно обеспечить приемлемые условия для взаимодействия пучка с полем одновременно на двух гармониках.

Разработка методов анализа и синтеза многочастотных двухзазорных резонаторов с резонансными отрезками полосковых линий Многочастотный о дно лучевой двухзазорный резонатор с подвешенной диэлектрической подложкой и четвертьволновой резонансной линией

Конструкция однолучевого двухзазорного резонатора с подвешенной диэлектрической подложкой и четвертьволновой резонансной линией, возбуждаемый на кратных частотах показана на Рисунке 4.1.

Резонатор представляет собой цилиндрическую конструкцию. В центре резонансной системы размещается диэлектрическая подложка с нанесенными на нее методом литографии полосковыми проводниками. В центре диэлектрической подложки размещена пролетная труба, которая вместе с полосковыми проводниками образует отрезок полосковой линии. Пролетная труба соединяется с полосковыми проводниками методом пайки. Электрический контакт между полосковым проводником и корпусом резонатора обеспечивается зажимом при окончательной сборке резонатора.

В рассматриваемых колебательных системах основной резонансной модой является противофазный (ТЕМ) вид колебаний с длиной волны Х\. В таком резонаторе изменяя длины внутреннего проводника, можно практически независимо изменять частоту противофазного вида колебаний, а настройку на синфазный вид, при выбранном значении диэлектрической проницаемости, можно осуществлять путем подбора диаметра резонатора.

Исследование двухмодового режима взаимодействия двухзазорных многолучевых резонаторов клистронного типа, проводилось с помощью программы 3-D компьютерного моделирования HFSS. Ниже представлены результаты численного моделирования конструкции резонатора (Рисунок 4.1) с разными видами материалов подвешенной диэлектрической подложки и длинной полоскового проводника L.

Конструкция многоканального двухзазорного полуволнового резонатора с подвешенной керамической подложкой с двумя кратными резонансными частотами

Изменяя высоту опорного стержня w и, соответственно, длину стрежня V, можно варьировать частотами основного противофазного и высшего (синфазного) видов колебаний добиваясь их кратности.

Как видно из графиков кратность частот достигается для цилиндрического резонатора при wv=0.758, для резонатора V-образной формы - при wv=0.503, для многолучевого резонатора - при w/v=0.7. При этом условие кратности двум частот основного противофазного и высшего синфазного вида для резонансной ячейки V-образной формы (Рисунок 5.26, б) является более «устойчивым» к изменению соотношения размеров w/v резонатора, чем в случае резонатора цилиндрической формы (Рисунок 5.26, а).

Показано, что для трехлучевого резонатора V-образной формы (Рисунок 5.26, с) могут быть подобраны такие соотношения размеров ячейки, при которых кратность частот п- и 0-видов равна трем. Поэтому он является перспективным для использования в умножителях частоты (утроителях).

Исследование режима двухмодового взаимодействия полей фрактального двухзазорного резонатора с электронным потоком Развитие современных электровакуумных СВЧ приборов сопровождается повышением их мощности и эффективности, расширением частотных диапазонов, использованием специальных режимов работы и новых конструкций электродинамических систем.

В последние годы в радиоэлектронике особое внимание уделяется разработке и исследованию нетрадиционных конструкций колебательных систем -фрактальным резонаторам [98]. Впервые конструкция многолучевого клистрода с фрактальными двухзазорными резонаторами (ФДР) древовидного типа была предложена в [99]. Такие резонаторы, также как и фрактальные антенны, могут быть чрезвычайно эффективны при разработке многолучевых двухчастотных или многочастотных электронных приборов клистронного типа, работающих в качестве мощных усилителей, генераторов или умножителей частоты.

Многочастотный режим работы, при котором взаимодействие электронов с СВЧ полем осуществляется не только на основном, но и на высших видах колебаний резонаторов, частоты которых могут быть кратными частоте основного сигнала, представляет особый интерес. Этот интерес связан с возможностью использования поля третьей гармоники в выходном резонаторе клистрода и настройке на нее частоты одной из высших мод выходного резонатора.

Однако свойства фрактальных резонаторов при работе их в многомодовом режиме не исследованы, поскольку такие системы характеризуются сложной геометрией, неоднородным трехмерным распределением ВЧ электрического ПОЛЯ, и требуют высокой точности расчета электронных и электродинамических параметров.

Цель настоящего раздела - исследование влияния геометрических и электрических параметров ФДР на их электродинамические и электронные характеристики при работе в двухмодовом режиме с помощью программы трехмерного моделирования [65].

Фракталы находят все большее и большее применение в науке и технике. Одной из самых распространенных форм фракталов является, так называемый, древовидный фрактал Пифагора [100]. Он называется так потому, что каждая тройка попарно соприкасающихся квадратов (Рисунок 5.27) ограничивает прямоугольный треугольник и получается картинка, которой часто иллюстрируют теорему Пифагора.

На Рисунке 5.28 показан переход от трех идеальных древовидных фракталов Пифагора к реальному двухзазорному резонатору, в котором можно различить характерные признаки «идеального дерева»: «ствол», три крупные «ветви» и «листья».

Зависимость характеристического сопротивления в центральном канале, лежащем на оси «ветки», для противофазного panti и синфазного pinf видов колебаний от изменения отношения dla Из Рисунка 5.31 видно, что характеристическое сопротивление синфазного вида при изменении отношения dla остается практически неизменным, в то время как изменение panti составляет примерно 13%.

В результате исследований установлено, что вследствие разной чувствительности изменения частоты разных видов колебаний (Fanti и Finf) к изменению длины подстроечного элемента/? можно найти оптимальную длину этого элемента (Рисунок 5.32), соответствующую настройке на кратные частоты, находящиеся в отношении 1/3.

Зависимость частот противофазного Fanti и синфазного Finf видов от длины перемещения подстроечного элемента Добротность резонатора Q на противофазном виде колебаний примерно 3000, а на синфазном виде - около 8000. Хорошо известно, что из-за различия амплитуд ВЧ напряжений на разных пролетных каналах и нелинейного изменения переменного напряжения по продольной координате первого и второго зазоров не совпадают условия реализации максимального электронного КПД для лучей разных рядов. Проведенные исследования, результаты которых приведены на Рисунках 5.33 - 5.35, подтверждают тот факт, что исследуемые системы характеризуются сложной геометрией и неоднородным трехмерным распределением ВЧ электрического поля в разных пролетных каналах по радиусу, а также по длине зазора. га / 2a zmax 0, Is jf \ і і A-A /j /1 B-B R R