автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование и оптимизация параметров многолучевых СВЧ ЭВП средней и большой мощности с модуляцией эмиссии на основе термо- и автоэмиссионных катодов

На правах рукописи

БОРОДЕНКОВА ИРИНА ВЯЧЕСЛАВОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЛУЧЕВЫХ СВЧ ЭВП СРЕДНЕЙ И БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С МОДУЛЯЦИЕЙ ЭМИССИИ НА ОСНОВЕ ТЕРМО-II АВТОЭМИССИОННЫХ КАТОДОВ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени 11 НОЯ 2015

кандидата технических наук

Саратов 2015

005564469

005564469

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Царев Владислав Алексеевич

Официальные оппоненты: Якунин Александр Николаевич

доктор физико-математических наук, руководитель сектора Института проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов)

Федяев Валерий Кузьмич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Рязанский государственный радиотехнический университет», профессор кафедры «Электронные приборы» (г. Рязань)

Ведущая организация - ФГБОУ ВО «Саратовский государственный

университет имени Н.Г. Чернышевского» (г. Саратов)

Защита состоится «22» декабря 2015 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте vvwvv.sstu.ru

Автореферат разослан 15

года

Ученый секретарь диссертационного совета ( /г~ ДимитрюкА.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных условиях к электровакуумным приборам СВЧ предъявляется комплекс противоречивых требований, обусловленный условиями их работы в радиотехнической аппаратуре. Так, в телевизионных передатчиках необходимо обеспечить высококачественное усиление модулированных колебаний изображения и звука, что требует линейности входной характеристики. Уменьшение габаритов и массы является решающим требованием для самолётной и космической радиоаппаратуры, так как позволяет снизить металлоемкость приборов, а следовательно, и их стоимость. Наряду с этим все время расширяются старые области применения вакуумных приборов СВЧ и открываются новые перспективы. Возрастает значение таких новых применений, как радиолокационные системы с многоэлементными фазированными решетками и невоенное использование энергии электромагнитных волн, например, в ускорительной технике и энергетике. Это заставляет разработчиков обращать особое внимание не только на выходные параметры прибора (КПД, выходная мощность, полоса усиления), но и на экономические показатели конструкции, в том числе на начальную стоимость прибора, его долговечность и ремонтопригодность.

Таким образом, в современных условиях задача создания конкретного типа электровакуумного СВЧ прибора по заданным требованиям неоднозначна, так как существует множество решений, отличающихся ослаблением требований к одним параметрам и ужесточением - к другим.

Одними из электровакуумных приборов, в большей степени удовлетворяющих этим требованиям, являются клистроды. Клистрод - это гибридный электровакуумный СВЧ прибор, имеющий один или несколько резонаторов, без отражения электронного потока, в котором модуляция электронов по плотности производится в основном в зоне модуляции эмиссии (модуляторной зоне), а отбор энергии от электронных сгустков осуществляется в области клистронного резонатора.

Интерес к исследованию и разработке гибридных приборов обусловлен перспективностью разработки на этой основе новых мощных СВЧ устройств (усилителей, генераторов и умножителей частоты) с улучшенными энергетическими, массогабаритными и эксплуатационными параметрами. За рубежом такие приборы в последние годы находят все большее применение в цифровом телерадиовещании, в ускорительной технике, СВЧ энергетике и других областях. Однолучевые клистроды в настоящее время производятся фирмами CPI (Канада), E2V (Англия), Thaies (Франция), Philips (Нидерланды). Основным недостатком мощных однолучевых клистродов является высокое ускоряющее напряжение. В связи с этим целесообразен переход к многолучевым конструкциям.

Степень разработанности темы диссертации. Исследованием и разработкой клистродов в России занимались многие отечественные ученые: Сушков А.Д., Федяев В.К., Королев А.Н., Лопин М.И., Царев В.А., Яковенко В.К., Галдецкий A.B. и другие. В настоящее время актуальными задачами, на которые направлены усилия разработчиков клистродов, являются: дальнейшее повышение рабочей частоты этих приборов до 2-3 ГГц, увеличение КПД и коэффициента усиления, поиск новых режимов взаимодействия (многомодовый режим усиления, автогенераторный режим, режим умножения частоты). Актуальными представляются также исследования, направленные на создание миниатюрных клистронов, работающих с термокатодами в длинноволновой части СВЧ диапазона, а также клистродов коротковолновой части СВЧ диапазона с матричными автоэмиссионными катодами. В силу нелинейного характера физических процессов как в модуляторной зоне, так и в трубе дрейфа, взаимодействие электронов с полями резонаторов в гибридных приборах клистронного типа значительно сложнее, чем в обычных клистронах.

Однако исследования физических процессов, определяющих новые принципы и режимы работы гибридных приборов путем математического моделирования, находятся на начальном этапе. Трехмерный характер резонаторных систем, особенно (многозазорных) при их оптимизации, усложняет численное исследование, так как требуется перебор большого числа вариантов. Отсутствие адекватных аналитических моделей, методик синтеза и оптимизации таких систем по комплексу выходных параметров приводит к тому, что процесс проектирования клистродов во многом остается чисто экспериментальным и поэтому требует больших затрат времени и материальных затрат.

Целью диссертационной работы является исследование возможности улучшения комплекса выходных параметров гибридных многолучевых электровакуумных СВЧ-приборов с термо- и автоэмиссионными катодами и комбинированной модуляцией электронов по плотности и по скорости, работающих как в режимах одномодового и двухмодового усиления, так и в режимах умножения частоты.

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

— анализ известных конструкций однолучевых и многолучевых клистродов, режимов их основных узлов работы, а также существующих методов расчета процессов взаимодействия однолучевых и многолучевых электронов с ВЧ полями однозазорных и многозазорных резонаторов;

— создание численно-аналитической математической модели взаимодействия электронов с полями резонаторов и методики оптимизации для оперативного расчета выходных параметров многолучевых клистродов в линейном и нелинейных режимах;

- исследование и оптимизация с помощью разработанной методики и комплекса одномерных, двумерных и трехмерных программ физических процессов в триодной и клистронной частях многолучевого мини-клистрода ДМВ-диапазона и в его резонаторной системы, выполненной на печатной плате;

- исследование двухмодового двухзазорного резонатора и определение выходных параметров мощного многолучевого клистрода-умножителя частоты (1225/2450 МГц);

- исследование характеристик гибридного двухрежимного многолучевого прибора «клистрод - монотрон», предназначенного для использования в качестве источника СВЧ-энергии на частотах 2450 и 5800 МГц;

- оценка выходных параметров мини-клистрода с автоэмиссионными катодами и многозазорными резонаторами на печатной плате;

- разработка рекомендаций, необходимых для создания опытных образцов многолучевых клистродов.

Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем.

1. Проведенный критический анализ разработок электродинамических систем созданных ранее миниатюрных ЛБВ на печатной плате и опыт, накопленный при разработке миниатюрных многолучевых низковольтных клистронов коротковолновой части СВЧ диапазона, и также их сопоставление в свете постановки в диссертации новых задач уменьшения габаритов и массы гибридных СВЧ-приборов с модуляцией эмиссии, приводят к новым компромиссным решениям, определяющим выбор конструкции, по крайней мере, выходного резонатора маломощных клистродов в виде многозазорного пространственно-развитого резонатора, выполненного на печатной плате.

2. Разработанные оригинальные численно-аналитические математические модели процессов и явлений, происходящих в гибридных СВЧ приборах с модуляцией эмиссии, а также предложенные методики расчета электронных и электродинамических параметров многозазорных резонаторов позволяют в отличие от известных программ, основанных на полностью полевых моделях и численных методах их решения, оперативно и достоверно анализировать процессы взаимодействия электронов с полями СВЧ бессеточных зазоров с учетом трехмерного распределения электромагнитных полей и нелинейного характера явлений модуляции и отбора энергии.

3. Теоретически показана и экспериментально подтверждена возможность достижения требуемых значений электронных и электродинамических параметров, а также возможность настройки выходного двухзазорного резонатора на частоты противофазного ^ и синфазного ¡2 видов колебаний с кратностью частот Г2/¡"1=3, что необходимо

для получения высокого электронного КПД в многолучевом мини-клистроде дециметрового диапазона длин волн.

4. Установлено, что в выходном пространственно-развитом двухзазорном резонаторе, вакуумная емкостная часть которого выполнена на основе симметричной высокодобротной полосковой линии, расположенной на двух сторонах подвешенной диэлектрической подложки, можно изменять (в пределах 15-20 %) рабочую частоту основного противофазного вида колебаний, практически не возмущая высший синфазный вид колебаний. Это можно осуществить с помощью изменения длины расположенного вне вакуума отрезка коаксиальной линии, определяющего индуктивную часть этого резонатора. При неизменных размерах емкостного зазора требуемая частота высшего синфазного вида колебаний в основном определяется оптимальным выбором размеров внешнего прямоугольного экрана полосковой линии.

5. На основе проведенного трехмерного моделирования электродинамических характеристик показано, что в выбранной конструкции промежуточного клистронного двузазорного резонатора нового мощного многолучевого двухрежимного СВЧ прибора (гибрида клистрода и монотрона), рассчитанного на работу в устройствах диэлектрического нагрева одновременно на двух рабочих частотах (2450 и 5800 МГц), можно добиться требуемых для получения высокого КПД (как монотрона, так и клистрода) функций распределения продольной составляющей электрического поля в зазорах резонатора.

Теоретическая и практическая значимость состоит в следующем:

1. Разработанные практические рекомендации по выбору оптимальных параметров триодной и клистронной областей взаимодействия в гибридных многолучевых приборах с модуляцией эмиссии и скоростной модуляцией, а также рекомендации по выбору конструкций пространственно-развитых резонаторов, обеспечивающие достижение требуемых значений КПД и полосы усиливаемых частот, могут быть использованы в конструкторских и технологических отделах и бюро в практике проектирования многолучевых клистродов при выполнении перспективных НИР и ОКР на предприятиях электронной отрасли, например в АО «НПП Контакт», АО «НПП «Исток».

2. Полученные рекомендации по выбору параметров электронного взаимодействия, обеспечивающих режим самовозбуждения монотрона в двухмодовом гибридном многолучевом приборе с модуляцией эмиссии и скоростной модуляцией, могут быть использованы в АО «НПП «Алмаз» для прогнозирования условий возбуждения паразитных колебаний в многолучевых низковольтных клистронах коротковолновой части СВЧ диапазона.

3. Применение вместо двух одномодовых магнетронов нового многолучевого высокоэффективного двухрежимного автогенераторного прибора СВЧ (гибрида клистрода и монотрона) в промышленных 6

установках для одновременного нагрева или сушки тонких материалов на частотах 2450 и 5800 МГц не только позволит повысить равномерность нагрева и сушки обрабатываемых материалов, но и даст возможность значительно уменьшить габариты и массу всего нагревательного устройства и источника его электропитания, а также облегчит условия его эксплуатации.

4. Полученные новые знания по физическим явлениям в гибридных СВЧ приборах могут быть использованы в учебном процессе в технических вузах страны при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Электронные приборы и устройства» СГТУ имени Гагарина Ю.А. при чтении лекций и проведении практических занятий в рамках дисциплины «Физические основы электроники», а также при курсовом и дипломном проектировании бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».

Полученные теоретические расчеты и сопоставление их с имеющимися у АО «НПП «Контакт» экспериментальными данными показывает, что такой прибор без значительной переделки его электронно-оптической системы может быть использован в качестве мощного автогенератора, работающего при напряжении 40 кВ на частоте 2450 МГц в режиме умножения частоты с выходной мощностью 80 кВт, которая недостижима в настоящее время для промышленных магнетронов.

Предложенная методика расчетов позволяет достоверно оценить уровень выходной мощности и КПД прибора с достаточной для практики точностью и будет использована при проектировании подобных приборов в АО «НПП «Контакт».

Методология и методы диссертационного исследования

В процессе выполнения данной диссертационной работы были использованы основы математического анализа и микроволновой электроники, компьютерные методы моделирования и программирования, методы экспериментального измерения электродинамических параметров натурных моделей резонаторов.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

I. Результаты гармонического анализа триодной части мощного четырехлучевого тристрона, полученные с помощью разработанной методики моделирования, основанной на кусочно-линейной аппроксимации катодно-сеточных характеристик при малых углах отсечки катодного тока (40-60°), а также результаты расчета комплекса электронных и электродинамических параметров выходного двухзазорного пространственно-развитого резонатора, приближенно учитывающие пространственный заряд и нелинейные эффекты взаимодействия в клистронной части, позволяют дать достоверную и оперативную оценку

выходных параметров такого прибора при его работе в режиме утроения частоты 2.45/0.816 ГТц.

2. Для получения в миниатюрном многолучевом усилительном клистроде дециметрового диапазона заданного комплекса выходных параметров (выходной мощности около 300 Вт при КПД не менее 60% и полосе усиливаемых частот около 8 МГц) его выходной резонатор должен быть выполнен на основе двухзвенной фильтровой системы с активным двухзазорным пространственно-развитым резонатором, выполненным на печатной плате и возбуждаемым одновременно на основном противофазном и высшем синфазном видах колебаний с кратностью частот, равной трем, при микропервеансе парциального луча не более 0.34 мкА/Взд, общем числе лучей не менее 4 и величине ускоряющего напряжения, выбранной в пределах 2.5-2.6 кВ.

3. Результаты численных исследований, полученных с помощью с помощью проведенного трехмерного электродинамического анализа двухмодовых двухзазорных резонаторов и комплекса оперативных программ расчета и оптимизации параметров клистрона, позволяющие обосновать конструктивную схему нового многолучевого высокоэффективного двухрежимного устройства, являющегося гибридом клистрода и монотрона, предлагаемого для использования в автогенераторном режиме на частоте 2450 МГц при выходной мощности 13 кВт и на частоте 5800 МГц при выходной мощности около 8 кВт.

Достоверность полученных результатов обеспечивается построением математических моделей, построенных на основе фундаментальных исходных уравнений вакуумной СВЧ электроники и законов электродинамики, корректностью упрощающих предположений, соответствием результатов расчета и решений тестовых задач, сравнением с расчетными и экспериментальными данными, известными по отечественным и зарубежным публиациям по клистроду, а также соответствием представленных автором экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной аппаратуры с результатами проведенных расчетов и экспериментов, проведенных в АО «НПП»Исток» и АО «НПП»Контакт».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 6 конференциях: Третьей международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, 2006); Международной научно-технической конференции «ММТТ-28» (Саратов, 2015); Международной научно-технической конференции «Перспективы развития науки» (Уфа, 2015); Международной научно-технической конференции «Современные научные исследования и перспективы» (Уфа, 2015); XXII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Феодосия, 2015); Научно-техническом семинаре АО «НПП «Алмаз» «Электронные приборы СВЧ и

их применение в современных системах радиоэлектроники» (Саратов, 2015).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки РФ.

Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, выборе объектов исследования, разработке методик моделирования и компьютерных моделей для расчета и оптимизации конструкций исследуемых гибридных приборов СВЧ и их резонаторных систем, а также экспериментальное исследование этих систем и выработка практических рекомендаций по улучшению выходных параметров этих приборов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, приложений. Ее объем составляет 109 страниц машинописного текста, включая 68 рисунков, 9 таблиц, 79 наименований цитируемых источников, из которых 10- публикации автора диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика диссертационной работы: обоснована актуальность темы; сформулированы цели и задачи работы; научная новизна и практическая значимость полученных результатов; представлены сведения о реализации результатов работы; перечислены основные положения, выносимые на защиту; приведены данные об апробации результатов, объеме и структуре работы.

Первая глава представляет собой обзор литературы по гибридным и генераторным приборам клистронного типа, особенностям их конструкций и методам расчета основных параметров и характеристик. Рассмотрено современное состояние разработок этих приборов в России и за рубежом.

Отмечены основные пути дальнейшего усовершенствования клистродов: использование дополнительного группирующего резонатора (схема тристрона), переход к многолучевым конструкциям, использование многозазорных резонаторов, введение в резонаторную систему дополнительных резонаторов высших гармоник. Определены основные области применения клистродов и устройств на их основе. Проведено сравнение различных типов электровакуумных и твердотельных приборов СВЧ по комплексу выходных параметров. Рассмотрена возможность получения в режимах многомодового усиления, автогенерации и умножения частоты высоких уровней мощности на частотах выше предельной для клистрода частоты 1.3 ГГц. Проведен критический анализ разработок электродинамических систем созданных ранее миниатюрных ЛБВ на печатной плате и дана оценка возможности переноса этого опыта на конструкции резонаторов миниатюрных клистродов с термо- и

автоэмиссионными катодами. На основании проведенного обзора сформулированы цель и задачи работы.

Вторая глава посвящена разработке численно-аналитической математической модели взаимодействия электронов с полями резонаторов и методики оптимизации для оперативного расчета выходных параметров многолучевых клистродов в линейном и нелинейных режимах.

В

Расчет по |Первыя уп-юшотши |>роинь 1 ^ * Одномерный * Гибрншшй СВЧ "..'.* г«*>' • Фокус ну>юш шеи- прибор (лекоы '1 -

II рноднла Клистроннал с 1 ИСТЬ часть 1 '

в РМОШЮрИа

— | Дц*м^еый| в,и^й Сцкяас «орет \ Тоеп фОЬСП|| | | к нмеень

О

Рисунок 1 - Упрощенная схема многолучевого клистрода (а): 1 - катод, 2 - управляющая сетка, 3 - входной резонатор, 4 - анод, 5 - трубка дрейфа, 6 - выходной двухзазорный резонатор, 7 - коллектор. Схема блочно-иерархического проектирования клистрода (б)

Для сокращения трудоемкости в работе был применен блочно-иерархический подход к проектированию клистрода, основанный на декомпозиции его конструкции на отдельные блоки (триодная часть, клистронная часть, резонаторная система) и последовательного применения для расчетов физических явлений в этих блоках аналитических и численных моделей с возрастающей степенью сложности (рис. 1а). Например, при расчете триодной части клистрода использовались данные двумерного траекторного анализа конкретной пушки. Пример такого расчета, проведенный для разных величин напряжения смещения, показан на рис. 2а. По полученным данным затем строилась катодно-сеточная характеристика. Схема построения картины импульсов катодного тока во времени показана на рис. 26.

а б

Рисунок 2 - Картины траекторий электронов при разных напряжениях смещения иЕ, на управляющей сетке для анодного напряжения иа=30 кВ и расстояния «сетка - катод» 0.6 мм (а). Схема построения импульсов катодного тока по катодно-сеточной характеристике (б)

Для уменьшения погрешности расчета гармонических составляющих катодного тока при малых углах отсечки @ = arccos(Egl — Eg0)/U

использовалась кусочно-линейная аппроксимация катодно-сеточной характеристики двумя участками (А-В и В-С). Определение численных значений подводимой /> и выходной Р„ мощностей для п-гармоник конвекционного тока осуществлялось с помощью следующих уравнений:

„ , ,, . sin0-©cos© , m

7r(\ - COS 0)

r> г, с . с- ,, w 0-COS0Sin©„ , (2)

pi = 0-5 • 7*4,, S ■ £/, ■ Mx —J--v- (1+£,);

7r(l-COS©)

Р„ = ^-Чк1ы -8-и„ М„ ^-ГТ—г-->(1 + е„); (3)

где /ь„ - пиковое значение импульса катодного тока, б - коэффициент токопрохождения, показывающий, какая часть катодного тока прошла за

сетку;г/,.......и„ - амплитуда высокочастотного напряжения на выходном

клистронном резонаторе; М,......Мп - коэффициент эффективности

взаимодействия в режиме большого сигнала; % - контурный КПД; е0......е„ -

поправки к коэффициентам А.И. Берга, учитывающие наличие у катодно-

11

сеточной характеристики начального участка, крутизна которого отлична от нуля.

Коэффициенты М,......Мп рассчитывались по данным трехмерного

электродинамического анализа с учетом реального распределения электрических полей Ег в зазорах с учетом найденной с помощью теории подобия, аналитической поправки Ки = /((/„), нелинейно зависящей от амплитуды ВЧ напряжения на резонаторе.

Критерием оптимизации клистрода являлся максимальный электронный КПД - т]елшкс. При оптимизации изменялась в пределах от 0 до 2 относительная величина эквивалентного сопротивления выходного резонатора Ст„, где р- характеристическое сопротивление

резонатора, Qn - нагруженная добротность, 0о - проводимость электронного потока. Поиск максимума осуществлялся с использованием программы оперативной оптимизации путем минимизации величины у, определяемой с помощью известного в теории клистрона уравнения

У= 1\ - {\С.„(2 2т1е)/(Мп [(2М"2\)\, (4)

где 0„, = С„ /С0- относительная электронная проводимость в нелинейном режиме, I, = /,//„ — относительная величина п-й гармоники конвекционного тока в центре первого зазора выходного резонатора.

Если условие минимизации выполнялось при обеспечении заданной точности для выбранного значения г/е1, то расчет продолжался. Если же были перебраны все значения Д3'„, и ни при одном из них не получена требуемая точность, то вычисления заканчивались и на печать выводились результаты расчетов, соответствующие т]емакс. Во второй главе приведен также пример реализации предложенной методики для расчета и проектирования мощного трехлучевого телевизионного клистрода с двухзазорным выходным резонатором. Показано, что за счет применения трубчатых электронных пучков (при работе в классе «А-В» на частоте 470 МГц) такой прибор будет иметь существенное преимущество перед телевизионным клистроном КУ-318 по комплексу энергетических и массогабаритных параметров, обеспечивая выходную мощность около 12 кВт при КПД 55%, коэффициенте усиления около 25 дБ и ускоряющем напряжении 10 кВ.

Третья глава посвящена разработке миниатюрного многолучевого клистрода с выходным двухзазорным двухмодовым резонатором, выполненным на печатной плате. Такой прибор может использоваться вместо СВЧ тетродов в фазированных антенных решетках РЛС дециметрового диапазона, где вопросы миниатюризации, стоимости и идентичности параметров выступают на первое место.

а б

Рисунок 3 - Конструкция клистронной части прибора (а) и зависимости резонансных частот трех гармоник и величин характеристических сопротивлений р от длины перемещения настроечного поршня 5 Триодная часть исследуемого мини-клистрода включает, помимо съемного входного резонатора, четыре отдельные электронные пушки с мелкоструктурными направляющими сетками. Выходной резонатор, входящий в состав клистронного узла прибора, разделен на вакуумную и невакуумную части (рис. За). Резонансные элементы в вакуумной части резонатора 6 представляют собой Т-образную высокодобротную полосковую линию в виде пленочных металлических проводников 11, расположенных с двух сторон на диэлектрической плате 8 внутри о корпуса прямоугольной формы. На разветвленных концах этой линии закреплены два стержня 9, заканчивающиеся пролетными трубками 10. Торцы пролетных труб 10 вместе со стенками резонатора образуют четыре двойных бессеточных зазора. Находящаяся вне вакуума часть резонатора 12 представляет собой короткозамкнутый отрезок экранированной полосковой линии. Длина этой линии может изменяться за счет перемещения короткозамыкающего поршня. Из рис. 3 видно, что в предложенной конструкции двухзазорного резонатора можно изменять (в пределах 1520%) рабочую частоту основного противофазного вида, практически не возмущая частоту третьего вида колебаний. Это позволяет реализовать без введения дополнительного резонатора, работающего на частоте /3 = 3/,, режим взаимодействия в двойном зазоре, при котором реализуется максимально плоская форма суммарного напряжения (рис. 4а), необходимая для повышения электронного КПД до 63%.

Из рис. 46 видно, что в мини-клистроде возможно на частоте 470 МГц получение высокого полного КПД (около 60%) и выходной мощности не менее 300 Вт. Оценочные расчеты показали, что применение одноступенчатой рекуперации позволит реализовать технический КПД около 70% в полосе усиления 8 МГц. Планарная печатная конструкция выходного резонатора может быть изготовлена с высокой степенью точности с помощью сравнительно недорогих технологических процессов

(напыления, лазерной размерной обработки и др.), аналогичных процессам, принятым в микроэлектронике для интегральных схем.

■V 3

\ 2

V .. .4 . .

1**1 иг

а б

Рисунок 4 - Форма ВЧ напряжения при одночастотном - 1 и бигармоническом - 3 сигналах (а) и зависимости выходных параметров прибора от угла отсечки катодного тока (б)

В четвертой главе приводятся результаты моделирования многолучевых клистродов-умножителей частоты с термо- и автоэмиссионными катодами. В первом параграфе рассмотрен 6-лучевой клистрод, работающий в качестве удвоителя частоты (/ =\225 МГц//2 = 2450 Мгц). Входной резонатор этого прибора производит модуляцию термоэмиссии при угле отсечки, равном 60°, при котором максимальна вторая гармоника конвекционного тока. Проведенное трехмерное электродинамическое моделирование позволило создать двухзазорный резонатор, возбуждаемый одновременно на двух кратных частотах. Установлено, что частоту синфазного вида колебаний можно перестраивать за счет изменения длины ребер, как показано на рис. 5.

/ / /

// \

у »

- ■ /\

.-С'.'.. У ч м

Рисунок 5 - Конструкция выходного резонатора (а), картина поля в резонаторе (б) и перестроечные характеристики для трех мод, построенные в зависимости от длины радиальных ребер (в)

Дополнительная группировка электронных сгустков в клистроде-умножителе, схематично изображенном на рис. 6а, осуществляется в выходном двухзазорном резонаторе на противофазном виде колебаний, частота которого равна частоте входного сигнала, а отбор энергии осуществляется на синфазном виде колебаний, частота которого равна удвоенной частоте входного сигнала. Параметры резонатора приведены на рис. 56.

а б в

Рисунок 5 - Схема прибора (а), таблица параметров, задаваемых в программе расчета для синфазного вида колебаний (б) и поведение первой и второй гармоник конвекционного тока вдоль длины пространства взаимодействия (в)

В результате расчетов, проведенных с помощью дисковой модели клистрона «01зк1у», установлено, что к моменту прихода во второй зазор пространства взаимодействия относительная величина второй гармоники тока (кривая к=2 на рис. 5в) достигает максимального значения Jal цм = 1.7, увеличиваясь в 1.4 раза. Это позволило получить ранее недостижимый для умножителя частоты на 2450 МГц КПД (около 60%) при ускоряющем напряжении 12.5 кВ, общем токе лучей 1.8 А и выходной мощности около 13 кВт. Такой прибор может использоваться в устройствах промышленного СВЧ нагрева вместо магнетронов, отличаясь от последних большей (в 2-2.5 раза) долговечностью.

Во втором параграфе четвертой главы приведены результаты численного моделирования выходных характеристик мощного утроителя частоты на 6-лучевом клистроде с рабочей частотой 2450 МГц. В этом приборе, построенном по схеме тристрода, первичное формирование электронных сгустков осуществляется в триодной части на частоте /|=816.7 МГц. Догруппировка электронов (рис. 6а) также осуществляется на частоте /¡=816.7 МГц в промежуточном однозазорном резонаторе, работающем на высшем (Е02о) виде колебаний (рис. 66). Отбор энергии происходит в выходном двухзазорном резонаторе (рис. 6в) с основным (противофазным видом) колебаний на частоте/^/, где ку= 3 - коэффициент умножения.

а б в

Рисунок 6 - Поведение первой и третьей гармоник конвекционного тока вдоль длины пространства взаимодействия (а), конструкция промежуточного резонатора (б), конструкция и параметры выходного резонатора (в)

Результаты численного моделирования (рис. 6а) показали, что относительная амплитуда третьей гармоники конвекционного тока за счет догруппирования возросла примерно в 1.2 раза (с 1.26 до 1.48). Это позволило получить рекордно высокий для умножителя частоты на 2450 МГц уровень выходной мощности (105 кВт) при КПД (около 50%), ускоряющем напряжении 40 кВ, общем токе лучей 5.3 А. Такой СВЧ прибор качестве источника СВЧ энергии может найти применение в ускорительной технике, а также в ряде промышленных применений СВЧ энергии, например для передачи энергии на расстояние, для сушки бетонных плит, кирпичей, древесины, для разрушения твердых пород и в других случаях, где требуется уровень выходной мощности порядка 50-100 кВт.

В третьем параграфе четвертой главы приведены результаты исследования гибридного СВЧ прибора, позволяющего обеспечить работу в одном устройстве двух независимых многолучевых приборов различного уровня мощности (клистрода и монотрона) на двух рабочих частотах (2.45 и 5.8 ГГц) как одновременно, так и поочередно. Схема такого устройства и конструкция промежуточного резонатора приведены на рис. 7.

а б

Рисунок 7 - Схема прибора (а) и конструкция промежуточного двухмодового резонатора (б)

В состав прибора входит клистрод-удвоитедь, включающий входной резонатор, настроенный на частоту 1225 МГц, и промежуточный резонатор, настроенный на частоту основного (противофазного) вида колебаний 2450 МГц, который является выходной колебательной системой для этого прибора. Синфазный вид колебаний, имеющий нарастающие (по направлению движения электронов) амплитуды ВЧ напряжения на зазорах, являлся рабочим видом монотрона, возбуждаемого на частоте 5800 МГц. Выходной резонатор был настроен на одномодовый режим работы на частоте 5800 МГц и являлся буферным каскадом для монотронного автогенератора. По конструкции он был аналогичен промежуточному резонатору. Размеры пролетных каналов и длины ВЧ зазоров выбирались, исходя из получения наивысшей эффективности взаимодействия одновременно на двух рабочих частотах. Проведенные с помощью дисковой модели клистрона расчеты позволили найти режимы работы, при которых при одном рабочем напряжении обеспечивалась наивысшая эффективность взаимодействия одновременно двух приборов.

Из рис. 8 видно, что при ¡У0=28 кВ режимах обеспечиваются необходимые для получения в монотроне КПД=25% условия самовозбуждения (максимум отрицательной электронной проводимости и амплитуда ВЧ напряжения на промежуточном резонаторе 1Л/U0=2, Применение дополнительного буферного каскада позволяет увеличить КПД монотронного генератора до 40% (при оптимально выбранной длине трубы дрейфа между резонаторами) и получить выходную мощность 8 кВт. При этом выходная мощность клистрода будет порядка 30 кВт при КПД = 65 %.

»luumw-i t»t <• seil.»нмг ti«i it.i

wr c"änu, FI v

I в. -1. 9 41» >■!* V..t UieiKiMic ('пением . ns

14 16 1& 20 22 24 28 28 Ц0 Kß

а б

Рисунок 8 - Фазовые траектории, поведение амплитуды ВЧ напряжения и гармоник конвекционного тока вдоль длины пространства взаимодействия в монотроне (а) и зависимость относительной электронной проводимости в линейном и нелинейном режимах от ускоряющего напряжения (б)

В четвертом параграфе представлены результаты исследования возможности создания многолучевого клистрода с автоэмиссионными катодами - фемитрона. Исследуемый прибор является утроителем частоты. Входной резонатор возбуждается на частоте 30 ГГц с углом отсечки 40°, а отбор энергии осуществляется на частоте 120 ГГц. Характерной трудностью, возникающей при конструировании приборов ТГц диапазона длин волн, является необходимость использования электронных пучков с весьма малыми поперечными размерами и соответственно с чрезвычайно большой плотностью тока. Естественным способом преодолеть эти трудности является переход к конструкциям с использованием кольцевых матричных автоэмиссионных катодов. Схематическое изображение многолучевого фемитрона приведено на рис. 9а. Для увеличения тока пучка используются кольцевые резонаторы, работающие на высших видах колебаний: входной - Е02о, выходной - Еозо- Расчет проводился при условии, что максимальная плотность тока с матричного автоэмиссионного катода равна, как и в известных работах по наноклистрону, равной 16.2 А/см2. Структура электрического поля в выходном резонаторе на виде Еозо показана на рис. 96.

Рисунок 9 - Схема фемитрона-умножителя (а) и структура ВЧ электрического поля в резонаторе на частоте 120 ГГц (б)

В результате моделирования установлено, что при выбранных параметрах плотности автоэмиссионного тока (<20 А/см2) выходная мощность прибора не превышает 80 мВт при КПД в нагрузку около 0.4%. Для улучшения выходных параметров этого устройства рекомендовано увеличить общий ток электронов за счет дополнительной вторично-электронной эмиссии.

И

а

б

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны приближенные аналитические математические модели процессов и явлений, происходящих в гибридных СВЧ приборах с модуляцией эмиссии, которые позволяют оперативно и достоверно анализировать процессы взаимодействия электронов с полями СВЧ бессеточных зазоров с учетом трехмерного распределения электромагнитных полей и нелинейного характера явлений модуляции и отбора энергии. Теоретически показана и экспериментально подтверждена возможность настройки выходного двухзазорного резонатора на частоты противофазного 1"] и синфазного видов колебаний с кратностью частот

что необходимо для получения высокого электронного КПД в многолучевом мини-клистроде дециметрового диапазона длин волн.

2. Приведен пример реализации предложенной методики для расчета мощного трехлучевого телевизионного клистрода, работающего на частоте 470 МГц и обеспечивающего мощность в нагрузке 10 кВт при пониженном напряжении 10 кВ, что достигнуто благодаря использованию трубчатых электронных пучков, позволяющих обеспечить больший полный ток, чем сплошные пучки.

3.С помощью разработанной методики и комплекса одномерных, двумерных и трехмерных программ моделирования СВЧ приборов клистронного типа изучены особенности физических процессов в триодной и клистронной частях многолучевого мини-клистрода ДМВ-диапазона и в его резонаторной системе, выполненной на печатной плате.

4. Установлено, что в выходном пространственно-развитом двухзазорном резонаторе мини-клистрода, вакуумная емкостная часть которого выполнена на основе симметричной высокодобротной полосковой линии, расположенной на двух сторонах подвешенной диэлектрической подложки, можно изменять (в пределах 15-20 %) рабочую частоту основного противофазного вида колебаний, практически не возмущая высший синфазный вид колебаний, настроенный на частоту третьей гармоники сигнала.

5. Показано, что для достижения на частоте 450 МГц требуемых значений выходной мощности (300 Вт) в полосе усиления 8 МГц и коэффициента усиления по мощности Ку (около 22 дБ) оптимальный угол отсечки в мини-клистроде должен составлять 100 градусов при общем числе лучей не менее 4, при величине ускоряющего напряжения и0=2,6 кВ и микропервеансе одного луча около 0.34 мкА/В1''5. Применение одноступенчатой рекуперации позволяет реализовать технический КПД около 70 %.

6. Определено, что для увеличения резонансного сопротивления выходной бигармонической колебательной системы на частоте третьей гармоники необходимо ввести в состав этой системы дополнительный пассивный резонатор, образующий двухзвенную фильтровую систему, работающую на частоте 1350 МГц.

7. Доказано, что 6-лучевой клистрод-удвоитель (/}=1225 МГц /¿=2450 МГц) с выходным двухзазорным резонатором, оптимально настроенным на взаимодействие с двумя кратными гармониками конвекционного тока, обеспечивает (за счет догруппировки электронных сгустков) получение выходной мощности около 13 кВт с электронным КПД около 60%, что ранее было недостижимо для приборов подобного класса.

8. Определены параметры и конструкция промежуточного и выходного резонаторов 6-лучевого клистрода-утроителя частоты (fr 1225 МГц, />=2450 МГц, /¡=2450 МГц), а также параметры режима работы, обеспечивающие получение рекордно высокой выходной непрерывной мощности (около 100 кВ) с КПД около 50%.

9. Показана возможность создания нового мощного многолучевого двухрежимного СВЧ прибора (гибрида клистрода и монотрона), в котором используется двухзазорный резонатор, возбуждаемый одновременно на двух рабочих частотах 2450 и 5800 МГц. Подтверждено, что в таком приборе можно добиться требуемых для получения высокого КПД (как монотрона, так и клистрода) режимов работы и нарастающего распределения продольной составляющей ВЧ электрического поля в зазорах резонатора.

10. Исследована возможность создания многолучевого прибора клистронного типа - утроителя частоты с матричным автоэмиссионным катодом, работающего на частоте 120 ГГц. Показано, что при достижимой в настоящее время плотности тока с автоэмиссионной кремниевой матрицы 16.2 Л/см* в таком приборе возможно получение выходной мощности около 50 мВт при КПД около 0.4 %.

11. Получены рекомендации по конструированию мощных многолучевых клистродов для СВЧ энергетики, использующих новые режимы взаимодействия (многомодовый режим усиления, автогенераторный режим, режим умножения частоты).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Бороденкова И. В. Моделирование характеристик триодной части мощного многолучевого клистрода-умножителя частоты / И. В. Бороденкова, В. А. Царев // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2015. - № 2 (79). - С. 85-88.

2. Бороденкова И. В. Оптимизация параметров миниатюрного многолучевого клистрода с двухчастотным двухзазорным резонатором / И. В. Бороденкова, В. А. Царев // Журнал радиоэлектроники. - 2015. - № 8. -С.1-13.

3. Бороденкова И. В. Результаты численного моделирования четырехлучевого мини-клистрода дециметрового диапазона длин волн / И. В. Бороденкова, В. А. Царев // Радиотехника. - 2015. - № 10. - С. 5-10.

Публикации в других изданиях

4. Петрова (Бороденкова) И. В. Разработка аналитических моделей для расчета электродинамических параметров резонаторов многолучевых клистродов малого уровня мощности / И. В. Петрова, Г. А. Пчелинцев, В. А. Царев // Радиотехника и связь: материалы Третьей Междунар. науч,-техн. конф., 27-29 июня 2006 г. / СГТУ. - Саратов, 2006. - С. 312-319.

5. Бороденкова И. В. Мощные двухрежимные ЛБВ Х-диапазона, результаты разработки / Д. А. Комаров, А. В. Фетисова, С. П. Морев, И. В. Бороденкова, А. В. Гудович, В. В. Задерейко, Ю. А. Мирошников, Ю. Н Струков // Научная сессия МИФИ. - М., 2008. - С. 72.

6. Бороденкова И. В. Расчет анодно-сеточных характеристик многолучевого клистрода / И. В. Бороденкова, В. А. Царев // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-28: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Саратов: СГТУ, 2015. - С. 38-43.

7. Бороденкова И. В. Анализ выходных характеристик миниатюрного многолучевого клистрода / И. В. Бороденкова, В. А. Царев // Перспективы развития науки: Междунар. науч.-практ. конф. - Уфа, 2015. - С. 15-19.

8. Бороденкова И. В. Определение параметров многолучевого клистрода по анодно-сеточным характеристикам / И. В. Бороденкова // Современные научные исследования: проблемы и перспективы: Междунар. науч.-практ. конф. - Уфа, 2015. - С. 34-37.

9. Царев В. А. Исследование возможности создания мощного двухрежимного СВЧ - многолучевого генератора на две промышленные рабочие частоты / В. А. Царев, И. В. Бороденкова // Научно-технический семинар АО «НПП «Алмаз». Электронные приборы СВЧ и их применение в современных системах радиоэлектроники. - Саратов, 2015.

10. Бороденкова И. В. Миниатюрный многолучевой клистрод с выходным двухзазорным резонатором на печатной плате / И. В. Бороденкова, В.А. Царев, Я.В. Перевозникова // Вакуумная наука и техника: сб. статей XXII науч.-техн. конф. - Феодосия, 2015. - С. 268-271.

Подписано в печать 16.10.15 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 120 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru