Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время приборы клистронного типа (многорезонаторные клистроны и клистроды) находят широкое применение в системах связи, телевидения, радиолокации, СВЧ энергетике, медицине.
Основным недостатком, ограничивающим область применения этих приборов, является относительно малая ширина полосы усиливаемых частот. Важным требованием (особенно для самолетной и космической радиоаппаратуры) является также снижение массы и габаритов приборов.
Известны различные способы расширения полосы рабочих частот. Однако, все они негативно влияют на другие характеристики прибора: увеличение количества резонаторов, специальная расстройка их частот и изменение добротностей, установка фильтровых систем на входе и выходе прибора позволяет увеличить его «мгновенную» полосу рабочих частот более чем на 10%, но при этом снижается КПД прибора, усложняется и удорожается его изготовление, ухудшается массогабаритная характеристика.
Еще один способ увеличения полосы пропускания - это переход к многолучевой конструкции прибора, которая позволяет расширить полосу пропускания до 10-15%. Недостатком многолучевых клистронов и клистродов с близким расположением электронных лучей является увеличенная площадь электронного потока и, соответственно, площадь емкостных зазоров резонаторов. Следствием этого является уменьшение электронного КПД (из-за различия амплитуд напряжений на зазорах разных рядов) и характеристического сопротивления (из-за увеличенной электрической емкости зазоров резонатора).
Увеличение характеристического сопротивления можно добиться за счет применения двухзазорных резонаторов (ДР), исследованием которых, начиная с 30-х годов прошлого века, занимались многие отечественные и зарубежные учёные: Ю.А. Кацман, С.В. Лебединский, С.А. Зусмановский, А.З. Хайков, С.Н. Голубев, К.Г. Симонов, В.П. Панов, В.К. Федяев, А.Н. Арсеньева, О. Хайль, М. Чодоров, С. Фан, Р.Б. Нельсон и др.
Дальнейшее улучшение характеристик многолучевых приборов клистронного типа можно обеспечить за счет перехода к секторной конструкции двухзазорных резонаторов (СДР). При такой конструкции входная и выходная резонансная система (РС) многолучевого клистрона (МЛК) представляет собой комплекс из n электромагнитно связанных между собой однолучевых или многолучевых активных секторных двухзазорных резонаторов, образующих фильтровую систему. Промежуточные резонаторы могут не иметь между собой электромагнитной связи. Электронные лучи (пучки) при этом расположены аксиально-симметрично вокруг оси прибора, что облегчает формирование сходящихся электронных пучков, улучшает их фокусировку и обеспечивает однородность скоростной модуляции для всех лучей.
Однако, электродинамические свойства таких РС практически не изучены. Не определено оптимальное сочетание электродинамических, электронных и массогабаритных параметров, позволяющее расширить полосу рабочих частот высокоэффективных МЛК, выполненных на основе СДР, при одновременном снижении массы и габаритов приборов.
Современная тенденция при исследовании и разработке новых типов приборов заключается в последовательном использовании программ разного уровня. Однако существующие трехмерные программы численного моделирования сложных электродинамических систем, какой является фильтровая система, выполненная на основе СДР, слишком дороги и не полностью удовлетворяют требованиям разработчиков.
В связи с этим становится актуальным исследование и оптимизация разных по конструкции типов двухзазорных резонаторов, предназначенных для создания новых мощных широкополосных типов МЛК, а также разработка как программы оперативного расчета СДР, основанной на приближенных аналитических моделях, так и точной трехмерной программы численного моделирования сложных электродинамических систем.
Цель работы и задачи исследований.
Целью настоящей диссертационной работы является увеличение ширины полосы рабочих частот мощных многолучевых СВЧ приборов клистронного типа при одновременном улучшении их массогабаритных характеристик за счет оптимизации конструкции и параметров резонансных систем, выполненных на основе двухзазорных резонаторов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
проведение аналитического обзора публикаций по современным способам улучшения комплекса выходных электронных, электродинамических и массогабаритных параметров приборов клистронного типа;
разработка аналитической методики оперативного расчета электронных и электродинамических параметров СДР;
оптимизация СДР по комплексу электронных, электродинамических и массогабаритных параметров при помощи аналитического метода расчета;
построение модели численного расчета комплекса характеристик РС сложной формы и разработка на ее основе программы трехмерного моделирования;
исследование различных способов управления частотами собственных видов колебаний СДР для достижения условий кратности основного и высших видов колебаний;
поиск оптимальной формы и размера щели связи между смежными активными СДР, обеспечивающих максимальную ширину полосы пропускания и минимальную неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) многолучевого прибора..
Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:
-
Предложен новый критерий оптимизации ДР по комплексу электронных, электродинамических и массогабаритных параметров, пропорциональный отношению эффективного характеристического сопротивления резонатора на его объем, позволяющий производить выбор конструкции резонатора, исходя с условий получения в МЛК максимальной полосы и усиления при минимально возможных габаритах и массе.
-
Разработана аналитическая методика приближенного расчета электронных и электродинамических параметров СДР, и на ее основе была создана программа оперативной оптимизации, позволяющая требуемые режимы работы прибора и геометрические размеры резонаторов по максимуму безразмерного критерия оптимальности.
-
Показано, что для СДР среди всех влияющих геометрических параметров наибольшая чувствительность резонансной частоты наблюдается при изменении радиуса пролетных труб. Наибольшая чувствительность характеристического сопротивления от геометрических параметров наблюдается в низкочастотном краю рассматриваемого диапазона частот, а наименьшая – в высокочастотном, наиболее сильная чувствительность коэффициента взаимодействия и электронной добротности наблюдается при углах пролета 4.5-5.2 радиан.
-
Установлены основные закономерности поведения частот разных видов колебаний в конструкции СДР с ребром, закорачивающим боковые стенки резонатора, и найдены условия достижения кратности частот противофазного f1 и синфазного видов f2 колебаний (f2/f1=2, f2/f1=3).
-
Определены оптимальные размеры и форма щели связи фильтровой системы, состоящей из двух активных СДР.
-
Исследованы полосовые свойства многосвязной РС, состоящей из шести СДР. Найдены условия, при которых в данной РС реализуется максимальная ширина полосы пропускания.
Достоверность полученных результатов обеспечивается построением математических моделей на основе фундаментальных исходных уравнений вакуумной СВЧ электроники и законов электродинамики, корректностью упрощающих предположений, соответствием результатов расчета и решений тестовых задач, а также соответствием расчетных и экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной аппаратуры.
Практическая значимость состоит в следующем:
-
На основе предложенного критерия можно оперативно дать адекватную оценку различных конструкций резонаторов по комплексу электродинамических, электронных и массогабаритных параметров, что особенно важно для проектирования приборов клистронного типа для самолетной и космической радиоаппаратуры.
-
Применение разработанной методики аналитического расчета параметров СДР, и созданной на ее основе программы оптимизации, целесообразно на начальном этапе проектирования прибора для поиска приближенных значений оптимальных параметров, что позволяет уменьшить трудоемкость и время расчета по программам трехмерного моделирования, а также трудоемкость экспериментальных исследований.
-
Проведенный анализ чувствительности характеристик СДР к изменению его геометрических и электронных параметров, позволяет уже на начальном этапе проектирования прибора с СДР выбрать наиболее стабильные режимы его работы, определить допуски на отклонения размеров резонаторов, предъявить определенные требования к режиму эксплуатации.
-
Разработанная программа трехмерного моделирования «REZON» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011611748) позволяет адекватно рассчитывать характеристики резонаторов сложной трехмерной формы и может быть использована при проектировании многосвязных активных и пассивных РС однолучевых и многолучевых широкополосных приборов клистронного типа.
-
Найденные условия достижения кратности основного противофазного и высшего синфазного видов колебаний для СДР с закорачивающим ребром могут быть использованы в приборах клистронного типа для реализации режима несинусоидальной скоростной модуляции, режимов умножения частоты, а также режима двухчастотного усиления сигнала.
-
Дана оценка ширины полосовой характеристики выходной резонансной системы, состоящей из шести активных секторных двухзазорных резонаторов и одного пассивного суммирующего резонатора.
Реализация результатов работы.
Результаты работы и практические рекомендации по проектированию одно- и многолучевых приборов клистронного типа на ДР:
реализованы в ОАО «НПП «Контакт» в ОКР НКУ ДКА-2015-Восток;
используются в учебном процессе СГТУ в курсах «Компьютерное моделирование и проектирование ЭПУ» и «Микроволновые приборы и устройства», а также при выполнении бакалаврами и магистрами дипломных проектов и курсовых работ.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Значение критерия оптимальности , объединяющего электродинамические ( – длина волны, – характеристическое сопротивление), электронные (М – коэффициент эффективности взаимодействия) и геометрические (– высота, – площадь поперечного сечения резонатора) параметры, для конструкции секторного двухзазорного резонатора приблизительно в 1,5 раза больше значения критерия оптимальности двухзазорного резонатора цилиндрической формы и, примерно в 50 раз, больше значения этого критерия для эталонного однозазорного цилиндрического резонатора радиального типа (П=1093), возбуждаемого на виде Е010.
-
Разработанная программа трехмерного моделирования резонаторов, основанная на численном решении уравнений Максвелла методом конечных разностей во временной области (FDTD) с использованием математических моделей, описывающих эффективность взаимодействия с пучком, адекватно моделирует установившиеся процессы в резонаторах сложной формы с бессеточными зазорами; и позволяет исследовать зависимости электронных и электродинамических от их геометрических размеров и параметров режима, а также определять оптимальное значение критерия П.
-
Введение в ячейку двухзазорного резонатора дополнительного, закорачивающего боковые крышки, ребра, которое служит основанием для радиального стержня с закрепленной на его конце втулкой, позволяет путем варьирования отношения высоты ребра к длине стержня изменять частоты противофазного и синфазных видов колебаний, при этом кратность частот для однолучевого резонатора цилиндрической формы достигается при отношении , для однолучевого резонатора секторной формы – при , а для трехлучевого резонатора секторной формы – при .
-
Максимальная ширина полосы пропускания двухзвенной фильтровой системы, состоящей из связанных активных секторных двухзазорных резонаторов, наблюдается при электрическом характере связи в случае щели связи круглой формы и выборе отношения (где – диаметр круглого отверстия).
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7 научно-технических конференциях: 19-й и 20-й международных Крымских конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина, 2009, 2010); международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010» (Саратов, 2010); Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009, 2010); 11th IEEE International Vacuum Electronics Conference IVEC 2010 (Monterey, 2010); XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них три статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений, содержит 130 страниц, включая 3 таблицы, 72 рисунка, 63 формулы, список литературы состоит из 71 наименования.
