автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Многоканальные клистронные резонаторы с кратными резонансными частотами

На правах рукописи

СЕНЧУРОВ Виктор Андреевич

005011)1

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ КЛИСТРОННЫЕ РЕЗОНАТОРЫ С КРАТНЫМИ РЕЗОНАНСНЫМИ ЧАСТОТАМИ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2011

005010120

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени

Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор, Царев Владислав Алексеевич

доктор технических наук, профессор Фурсаев Михаил Александрович

доктор физико-математических наук, профессор Григорьев Юрий Алексеевич

Национальный исследовательский

Саратовский государственный

университет им. Н.Г. Чернышевского

Защита состоится «28» декабря 2011 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд. 2/401.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Автореферат разослан «28» ноября 2011 г.

Автореферат размещен на сайте ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» www.sstu.ru «28» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

¡/цЯ/О

Димитрюк А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Мощные СВЧ-приборы клистронного типа находят широкое применение в системах космической и телевизионной связи, в передатчиках РЛС, в СВЧ-энергетике, ускорителях заряженных частиц и в других областях науки и техники. Эксплуатационные характеристики этих приборов, их электрические и конструктивные параметры определяются областью применения и диапазоном рабочих частот и существенно зависят от типа и геометрических размеров резонаторов и электронно-оптических систем.

В настоящее время получили широкое распространение многолучевые многорезонаторные пролетные клистроны (МЛК) и клистроды (МЛКД). Они позволяют усиливать или генерировать высокочастотные мощности до нескольких десятков и, даже сотен кВт, при ускоряющих напряжениях в 2-3 раза меньше, чем у обычных однолучевых клистронов. Низкий микропервеанс одного луча (р^ =0.2-0.3 мкА./В3'2) и малые поперечные размеры лучей в каждом канале обеспечивают предельно малые кулоновские силы продольного расталкивания, что способствует достижению высокой эффективности группирования электронов. Суммарный микропервеанс многолучевого потока увеличивается пропорционально числу лучей N. что позволяет создавать малогабаритные низковольтные СВЧ приборы. Они могут работать в режиме усиления одного или одновременно двух сигналов, в режиме умножения частоты, в режиме генерации, а также в режиме резонансного ускорения, как в ускорителях заряженных частиц.

При большом уровне выходной мощности одним из основных требований к таким приборам является достижение высокого КПД (до 8090%).

В разработанных к настоящему времени многолучевых СВЧ приборах применяют различные колебательные системы: однозазорные и двухзазорные резонаторы коаксиального и радиального типов с плотным размещением отдельных каналов в пролетной трубе, однозазорные и двухзазорные пространственно - развитые резонаторы с неплотным расположением пролетных каналов, расположенных на одном расстоянии относительно оси прибора.

Для повышения КПД в МЛК можно использовать режим несинусоидальной скоростной модуляции, при которой форма модулирующего напряжения в резонаторах близка к пилообразной. Этот способ улучшения эффективности группировки в однолучевых приборах впервые предложил Эрлин Лайн. В современных высокоэффективных однолучевых клистронах это достигается введением двух дополнительных

резонаторов второй гармоники в резонаторную систему клистрона. При этом увеличивается длина прибора, а следовательно, его габариты и масса.

Устранить этот недостаток можно за счет сокращения числа резонаторов путем возбуждения в одном резонаторе одного или двух высших видов колебаний, кратных основному виду. Исследованием возможности использования паразитных высших видов колебаний в качестве рабочих для реализации режима несинусоидалыюй скоростной модуляции в однолучевых клистронах занимались многие отечественные ученые: Андреев В.Г., С.Н. Голубев, С.А. Зусмановский, Ю.А. Кацман, В.И. Кучугурный, C.B. Лебединский. В последнее время начались интенсивные исследования возможности возбуждения кратных видов колебаний в многоканальных конструкциях резонаторных систем (А.Н. Королев, К.Г. Симонов).

Однако рекомендации для оптимального конструирования двухчастотных резонаторов были предложены для использования только в однолучевых клистронах. В связи с этим большой интерес представляют работы, направленные на разработку многоканальных резонаторов с кратными резонансными частотами для многолучевых конструкций приборов. Создание таких систем затрудняется в связи с недостаточной теоретической и экспериментальной исследовательностью поведения основного и высших видов колебаний, как в однозазорных, так и в двухзазорных конструкциях. Трехмерный характер таких конструкций усложняет численное исследование, так как требуется перебор большого числа вариантов. Отсутствие адекватных аналитических моделей, методик синтеза и оптимизации таких систем приводит к тому, что процесс проектирования остается чисто экспериментальным, требует больших затрат времени и материальных ресурсов.

Основной целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка многоканальных однозазорных и двухзазорных клистронных резонаторов, выполненных на основе ступенчато-неоднородных отрезков линии передачи, оптимизация их параметров для достижения высокой эффективности при взаимодействии электронных потоков с электромагнитными полями кратных по частоте основного и высшего видов колебаний в многолучевых СВЧ приборах клистронного типа, работающих в режиме несинусоидальной скоростной модуляции или в режиме умножения частоты.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

-теоретическое и экспериментальное исследования поведения основного и высших видов колебаний в разных по конструкции однозазорных многоканальных резонаторах;

- разработка аналитической методики расчета электродинамических характеристик и программы численного моделирования для оперативного синтеза на кратные резонансные частоты многоканальных однозазорных резонаторов с плотным расположением пролетных каналов;

- оптимизация многоканальных однозазорных резонаторов различных форм, настроенных на кратные резонансные частоты, по комплексу электронных, электродинамических и массогабаритных параметров;

-теоретическое и экспериментальное исследование поведения основного и высших видов колебаний в двухзазорных многоканальных резонаторах «древовидного» типа с неплотным расположением пролетных каналов и способов управления частотами собственных видов колебаний этих резонаторов для достижения условий кратности основного и высших видов колебаний и повышения эффективности взаимодействия с пучками на кратных частотах;

- оценка эффективности применения разработанных и исследованных резонаторных систем в высокоэффективных усилительных многолучевых клистронах и клистродах - удвоителей частоты и выработка практических рекомендаций по использованию их в различных областях науки и техники, включая СВЧ нагрев.

Объектом исследования являются многолучевые СВЧ устройства (или их модели) с модуляцией потока заряженных частиц по скорости и по плотности, в которых используются резонаторы с кратными частотами.

Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:

1. Разработанная методика расчета и компьютерного моделирования электродинамических характеристик основного и высших видов колебаний в многоканальных однозазорных резонаторов, основанная на комбинированном использовании приближенно-аналитических (методы эквивалентных длинных линий) и численных (метод конечных элементов в частотной области), а также теории подобия, позволяет исследовать условия возбуждения этих резонансных систем на основном и высших видах колебаний, частоты которых находятся в отношении 2:1.

2. Теоретически и экспериментально исследованные способы настройки резонаторов и обнаруженные закономерности поведения комплекса электронных, электродинамических и массогабаритных параметров позволяют найти оптимальную форму и размеры многоканального однозазорного резонатора, соответствующие наивысшей эффективности взаимодействия электронного пучка с основным и первым высшим видом колебаний при минимальной продольной высоте резонатора.

3. Разработанная аналитическая методика оперативного расчета электродинамических параметров, не имеющих осевой симметрии, многоканальных двухзазорных резонаторов «древовидного» типа, основанная на методе эквивалентных длинных линий, позволяет исследовать основные закономерности поведения частоты основного (противофазного) вида колебаний и частоты первого высшего (синфазного) вида колебаний от числа лучей и других влияющих факторов, а также определить условия настройки этих систем, при которых частоты находятся в отношении 2:1, 3:1.

4. На основе проведенных численно-аналитических расчетов показано, что в семилучевом клистроде-удвоителе с дополнительным промежуточным двухчастотным однозазорным резонатором и выходным резонатором, настроенным на частоту второй гармоники конвекционного тока, можно получить на частоте 2450 МГц ранее недостижимые значения выходных параметров: КПД, близкий к 70 % при уровне выходной непрерывной мощности около 10 кВт.

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 хорошим соответствием расчетных и экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной аппаратуры.

Практическая значимость состоит в следующем:

1. Разработанная аналитическая методика оперативного синтеза многоканальных однозазорных резонаторов, настроенных на кратные резонансные частоты, и созданная на ее основе программа «ВЕгСЖЕ» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011613602) могут быть использованы в производстве на начальном этапе проектирования многолучевых приборов: усилительных клистронов и клистродов, умножителей и преобразователей частоты, выпрямителей СВЧ энергии в энергию постоянного тока. Применение программы «ВЕгС^Е» позволит уменьшить трудоемкость и время расчета по программам трехмерного моделирования, а также трудоемкость экспериментальных исследований.

2. Практические рекомендации для выбора оптимальной конструкции и параметров резонаторов с кратными резонансными частотами и способам их настройки могут быть использованы при создании новых типов элестровакуумных СВЧ-приборов с улучшенными выходными характеристиками и эксплуатационными параметрами, например, при разработке клистронов и клистродов, работающих в двух диапазонах

рабочих частот, а также в многолучевых приборах, предназначенных для формирования мощного сверхширокополосного сигнала.

3. Полученные экспериментальные данные по оценке точности расчета электродинамических параметров резонаторов сложной трехмерной конфигурации могут быть использованы при тестировании существующих и разрабатываемых З-О программ численного моделирования таких систем.

4. Полученные знания по электродинамическим свойствам исследованных резонансных систем и особенностям их взаимодействия с электронным потоком могут быть полезны для использования в учебном процессе высших учебных заведений по направлению «Электроника и наноэлектроника».

Реализация результатов работы.

Результаты работы 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, выносимые на защиту:

1. Разработанная программа оперативного синтеза резонаторов «ВЕгОИЕ», основанная на методах теории подобия и эквивалентных длинных линий, позволяет осуществить оперативный синтез однозазорных многоканальных резонаторов с кратностью резонансных частот /2 = 2/, основного и высшего видов колебаний с погрешностью, не превышающей 1-1.5%.

2. Среди возможных конструктивных форм многоканальных однозазорных резонаторов с кратностью частот основного и первого высшего видов колебаний, равной двум, выполненных на основе ступенчато-неоднородных отрезков резонансных линий (коаксиальной линии, линии, состоящей из последовательно соединенных радиального и коаксиального отрезков и свернутой коаксиальной линии) наивысшее эффективное характеристическое сопротивление на высшем виде колебаний при минимальной высоте резонатора обеспечивает резонатор на основе свернутой коаксиальной линии.

3. Исследованные физические и конструктивные особенности многоканальных пространственно развитых двухзазорных резонаторов «древовидного» типа с однородным и ступенчато-неднородным цилиндрическим корпусом позволяют обеспечить соотношение частот противофазного и синфазных видов колебаний, соответственно: двух частот с кратностью 1:2 и трех частот с соотношением 1/3/6 (^прот=816.667

МГц, ^синф =2450 МГц, Г3с„нф =4900 МГц), а также с другим, разрешенным в промышленности, соотношением частот (f|npOT=915 МГц, Г2ошф =2450 МГц, ^С11Нф=4900 МГц).

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6-ти научно-технических конференциях:

- Международной научно-практической конференции «Интернет и инновации. Практические вопросы информационного обеспечения инновационной деятельности», Саратов, 19-20 ноября 2008 г.;

- 10th IEEE International Vacuum Electronics Conference IVEC 2009, Rome, Italy, 28-30 April, 2009;

- Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий», Саратов, 1516 сентября 2009 г.;

- Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010», Саратов, 22-23 сентября 2010 г.;

- Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий», Саратов, 2629 октября 2010 г.;

- XXIV Международной научной конфененции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24», Саратов, 21-24 апреля 2011г.;

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них две статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 115 страниц, включая 13 таблиц, 70 рисунков, 65 формул, список литературы состоит из 72 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика диссертационной работы: обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, изложены основные решаемые задачи, показаны научная

8

новизна и практическая ценность работы, приведены основные научные положения.

Первая глава представляет собой обзор литературы по способам улучшения эффективности СВЧ приборов клистронного типа с использованием резонаторов на кратные частоты.

Обзор литературы показал, что в настоящее время не разработана аналитическая методика оперативного синтеза многоканальных однозазорных резонаторов, настроенных на кратные резонансные частоты и отсутствуют программы, позволяющие оперативно рассчитывать электродинамические параметры таких резонаторов. Не получены практические рекомендации для выбора оптимальной конструкции и параметров резонаторов с кратными резонансными частотами и способам их настройки. Кроме того, отсутствуют экспериментальные данные по оценке точности расчета электродинамических параметров резонаторов сложной трехмерной конфигурации, которые могут быть использованы при тестировании существующих и разрабатываемых 3-0 программ численного моделирования таких систем.

Нет системных знаний по электродинамическим свойствам сложных двухзазорных многоканальных резонансных систем с кратными резонансными частотами и особенностям их взаимодействия с электронным потоком, которые можно было бы использовать в учебном процессе высших учебных заведений.

Отсутствуют численно-аналитические расчеты оценки выходных параметров многолучевого клистрода-умножителя с дополнительным промежуточным двухчастотным однозазорньш резонатором и выходным резонатором, настроенным на частоту второй гармоники конвекционного тока.

По результатам проведенного анализа публикаций сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Вторая глава посвящена результатам теоретических и экспериментальных исследований поведения основного и высших видов колебаний в однозазорных ступенчато-неоднородных резонаторах с разной формы корпуса и плотной упаковкой каналов в пределах одной пролетной трубы (рис. 1), а также разработке методики оперативного синтеза однозазорных резонаторов на кратные частоты.

Схематическое изображение ступенчато-неоднородного

коаксиального 7-канального резонатора с плотной упаковкой пролетных каналов в пределах одной пролетной трубы, его трехмерная модель, рассчитанная по программе З-О моделирования резонаторных систем «НБЗБ», а также остальные конструкции, отличающиеся уменьшенной высотой резонатора, показаны на рис. 1.

а б в г д

Рис. 1. 3-мерная модель ступенчато-неоднородного коаксиального резонатора 7-лучевого клистрона, построенная в программе НР88 (а), ее схематическое изображение (б) и другие типы конструкций (в)-(д)

Поскольку синтез таких резонаторов численными методами, основанными на решении уравнений Максвелла, чрезвычайно трудоемок, для решения поставленной задачи использовался метод эквивалентной схемы с полураспределенными параметрами. Согласно данному методу, резонатор можно представить в виде эквивалентной ступенчато-неоднородной длинной линии, образованной отрезками и /2 с волновыми сопротивлениями г, и и емкостью С„, определяемую скачком волнового сопротивления. Эта линия замкнута на одном конце, а на другом конце она нагружена на емкость зазора С0. Для определения условий кратности резонансных частот, представим резонансное уравнение в безразмерном виде, где влияющими факторами являются критерии подобия:

^ ' ' 5 П,П, П,-П, ' ( '

ГТ -г , -л п Т' П V 5-ШХ -А

где П, =Т, -¡- = к1ет; П2=-^ = к1ет; П, =ХС =———=к)ет;

А I, ц/,

п 1 ъх 5.309-X

4 =~ =-± = ^еш, П5 =Х = .

т г2 с„2,

Для выполнения условий эффективного взаимодействия на второй гармонике был получен дополнительный критерий подобия:

Пь = \ = 4.2 ■ 10"4 р ■ и0"г (1 +\ (/V -1))|/2,

Л 3

где N - число каналов, ии - ускоряющее напряжение, р - угол пролета по радиусу пролетного канала на длине волны Я, соответствующей высшему виду колебаний.

Результаты расчетов по резонансному уравнению позволили определить численные значения критериев подобия для синтеза резонаторов на заданную кратность частот, равную двум (рис. 2).

Рис. 2. Решение резонансного уравнения при условии осуществления кратности частот

В формулах (2)-(5) приведены аппроксимирующие функции для нахождения критериев подобия для случая п=2, соответствующего кратности частот.

У = Г,Я, = -0.0147527- + 0.183996- Х* -0.9366335- Х3С + 2.4448987- --3.2304849- Хс + 3.7033345 =п. ' )

У, = — = -0.0737635-4-Х* +0.735984-3• Х2С -2.8099005-2ХС + 4.8897974= 0 (3)

(1ХС

при п-2, Хс =1.88. К, = /2 / /, = 190.354797- Г25 -10464309957- Т24 + 231 30131907- Г23 - 2564631253 Г22 +

+14240581288 Г2 - 314.4229401= п

при п-2, Т2 =1.17. У, =-0.2525712-Т* + 2.8467708-Т* -6.2290384-Т? +7.964132-Г,2 -5.5372833-Т, + + 3.4071007 = л

при п-2, 1] =0.524.

(4)

(5)

На основе вышеизложенной методики расчета была разработана специальная программа синтеза 7-лучевых резонаторов «ВЕ2(ЖЕ».

Проведенное сравнение результатов расчета параметров резонатора, синтезированного на две кратные частоты, по разработанной программе и расчетов, выполненных по программе «НИЗЗ», показывает, что погрешность моделирования по предложенной аналитической методике не превышает 1-1.5%.

Полученные результаты для ступенчато-неоднородного коаксиального резонатора распространены с помощью теории подобия на другие типы резонансных линий (рис. 1 в-д), при условии, что параметры эквивалентных длинных линий для этих резонаторов совпадают. С помощью критерия оптимальности, определяющего максимум эффективного характеристического сопротивления на единицу длины

КрСз = ^ (гДе М - коэффициент эффективности взаимодействия, р -п/А

характеристическое сопротивление)было проведено исследование по поиску наилучших среди возможных конструктивных форм многоканальных однозазорных резонаторов с кратностью частот основного и первого высшего видов колебаний равной двум. Было установлено, что наивысшее эффективное характеристическое сопротивление на высшем виде колебаний при минимальной высоте резонатора обеспечивает резонатор на основе свернутой коаксиальной линии (рис. 1д). Результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1

Критерии эффективности 3 исследованных типов резонаторов

№ резонатора К, , Ом К2, Ом

16 177.1 55.1

1 г 445 38

1д 347.7 94.7

Также была исследована возможность настройки на кратные резонансные частоты резонаторов на рис. 1 г и д за счет изменения подстроечного угла а, а также за счет изменения длины подстроечного паза А, соответственно (рис. 3).

Рис.3. Графики зависимости /, и /2 / 2 от подстроечного

угла (X в резонаторе 1в и от длины подстроечного паза Д в резонаторе 1д

12

Таким образом, во второй главе была разработана, на основе найденных критериев подобия, аналитическая методика и создана программа оперативного синтеза многоканальных однозазорных резонаторов, настроенных на кратные резонансные частоты. Найдены оптимальная форма и размеры многолучевого однозазорного резонатора, соответствующие наивысшей эффективности взаимодействия электронного пучка с основным и первым высшим видом колебания при минимальной продольной высоте резонатора.

В главе 3 описана разработанная методика расчета многолучевых двухзазорных резонаторов «древовидного» типа, основанная на методе эквивалентных длинных линий, Приведены результаты проведенных численных расчетов по трехмерной программе «НРББ», а также данные эксперимента и результаты аналитических исследований моделей 3-х, 4-х и 6-ти канальных резонаторов, представленных на рис. 4.

а б в г

Рис. 4. 3-мерные модели 3-, 4- и 6-канальных резонаторов - (а)-(в) и схема резонатора с отрезком радиальной длинной линии

В обобщенной эквивалентной схеме рассматриваемых резонаторов (рис. 5) пространство взаимодействия представлено ветвлением N¡ одинаковых отрезков длинных линий в сечении «1-1» и ЛГГ отрезков в сечении «2-2». Остальная (индуктивная) часть резонансного контура представлена в виде короткозамкнутого отрезка длинной линии с параметрами и нагруженного в сечении «3-3» на емкость

неоднородности С3.

Проведенные теоретические и численные исследования показали возможность достижения кратности двум основного (противофазного) и первого высшего (синфазного) видов колебаний за счет изменения длины емкостного подстроенного элемента (рис. 6а) в таких резонаторах.

Рис.5. Обобщенная эквивалентная схема двухзазорного резонатора.

На рис. 6 б, в представлены зависимости удвоенной частоты противофазного вида колебаний и частоты синфазного вида колебаний, от дайны подстроечного емкостного элемента Т для 3- и 6-лучевых двухзазорных резонаторов соответственно.

Точка пересечения кривых на рис. 6 б, в соответствует достижению кратности двум частот для 3- и 6-лучевых резонаторов «древовидного» типа.

}

■

_I т

~~~ —

1

ч р. \

\

. ! .

1850 1У»

Ш

:К1- / N

N

\

1В0 •а» ^ 1.

а б в

Рис. 6. Схема двухзазорного резонатора с подстроенным емкостным элементом - (а) и зависимости удвоенной частоты противофазного вида колебаний и частоты синфазного вида колебаний от длины подстроечного емкостного элемента Ъ для 3-х лучевого (б) и 6-ти лучевого (в) двухзазорных резонаторов.

На основе конструкции резонатора, показанной на рис. 1в, обеспечивающей кратность синфазных видов колебаний Еош и Емо, была создана новая конструкция пространственно-развитого резонатора с тремя кратными частотами, в которой основной частотой является противофазный вид колебаний, определяемый геометрическими размерами опорного стержня и радиальных ветвей. Изменяя длину и диаметр этих проводников, можно настроить резонатор, показанный на рис. 4г на соотношение частот 1/ 3/6

/,=816.667 МГц, /2 =2450 МГц, /2//, =3, /3 =4900 МГц,

14

Такое соотношение частот необходимо для создания дополнительной несинусоидальной скоростной модуляции в клистроде-умножителе частоты.

Другой вариант настройки: /,=915 МГц, /,=2450 МГц, /,=4900 МГц может быть применен в устройствах СВЧ-нагрева.

В четвертой главе дается оценка перспективности применения многоканальных резонаторов в многолучевых приборах и устройствах.

Показано, что для многолучевого клистрода-удвоителя частоты с помощью введения в резонаторную систему дополнительного промежуточного многоканального однозазорного резонатора, настроенного на кратные частоты, (рис. 7а) можно достичь электронного КПД порядка 70% при выходной мощности порядка 10 кВт.

входной промеллю'гньп'г иечонпгоо peiuH.nc.li выходной резонатор 1 . Л- '

э

вторая гармоника с доп. группированием 2£

вторая гармоника И

I аоТ—

.111 • ГП'

яг»!^

выходная МОЩНОСТЬ

1<тюп пространство тазор промежуточного лцеГиЬа выходного резонатора 1 1 резонаторе

Рис. 7. Схема клистрода-умножителя частоты на 2 - (а), а также поведение гармоник конвекционного тока вдоль пространства взаимодействия - (б)

На основе результатов проведенных исследований получены также рекомендации, необходимые при создании клистрона для СВЧ нагрева с двумя выводами энергии на частоты 430 МГц и 915 МГЦ, а также рекомендации для повышения эффективности взаимодействия положительно заряженных ионов с ВЧ полем за счет реализации схемы группировки ионов ксенона на низкой частоте (около 5-8 МГц) в электрических ионных двигателях, аналогичной многолучевому электронному клистроду.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы, приведен список работ, опубликованных по результатам исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана аналитическая методика расчета электродинамических характеристик и программы численного моделирования для оперативного синтеза на кратные резонансные частоты многоканальных однозазорных резонаторов с плотным расположением пролетных каналов;

2. Проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований поведения основного и высших видов колебаний в разных по конструкции однозазорных многоканальных резонаторах. Показана возможность управления частотами собственных видов колебаний этих резонаторов для достижения условий кратности основного и первого высшего вида колебаний, а также повышения эффективности взаимодействия с пучками на кратных частотах.

3. Проведена оптимизация многоканальных однозазорных резонаторов различных форм, настроенных на кратные резонансные частоты, по комплексу электронных, электродинамических и массогабаритных параметров. Установлено, что наивысшее эффективное характеристическое сопротивление на высшем виде колебаний при минимальной высоте резонатора обеспечивает конструкция на основе свернутой коаксиальной линии.

4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования поведения основного и высших видов колебаний в двухзазорных многоканальных резонаторах «древовидного» типа с неплотным расположением пролетных каналов и способов управления частотами собственных видов колебаний этих резонаторов для достижения условий кратности основного и высших видов колебаний и повышения эффективности взаимодействия с пучками на кратных частотах.

5. Разработанная аналитическая методика оперативного расчета электродинамических параметров, не имеющих осевой симметрии, многоканальных двухзазорных резонаторов «древовидного» типа, основанная на методе эквивалентных длинных линий, позволяет исследовать основные закономерности поведения частоты основного (противофазного) типа колебаний и частоты первого высшего (синфазного) типа колебаний от числа лучей, и других влияющих факторов, и определить условия настройки этих систем в отношении частот 2:1, 3:1.

6. На основе проведенных численно-аналитических расчетов показано, что в семилучевом клистроде-удвоителе с дополнительным промежуточным двухчастотным однозазорным резонатором и выходным резонатором, настроенным на частоту второй гармоники конвекционного тока, можно получить на частоте 2450 МГц ранее недостижимые значения выходных параметров: КПД, близкий к 70 % при уровне выходной непрерывной мощности, около 10 кВт.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Сенчуров В.А. Исследование характеристик двухзазорных многолучевых пространственно-развитых резонаторов / В.А. Сенчуров, В.А. Царев // Вестник Саратовского государственного технического университета.-2010,-№4 (51). - Вып.З. — С. 66-70.

2. Сенчуров В. А. Исследование различных способов настройки многоканальных однозазорных резонаторов на кратные резонансные частоты / В.А. Сенчуров, В.А. Царев // Журнал радиоэлектроники. (Электронная версия). - 2011. -№. 9.

Авторские свидетельства

3. Сенчуров В.А. BEZONE / В.А. Сенчуров, В.А. Царев Н Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011613602

Патенты

4. Пат. № 98492 Российская федерация, МПК F 03 Н 1/100. Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе /

B.А. Сенчуров, В.А. Царев, A.A. Скрипкин. - №2010116029/06; заявл. 23.04.2010; опубл. 20.10.10, - 2 с.

Публикации в других изданиях

5. Сенчуров В.А. Синтез однозазорных резонаторов с кратными резонансными частотами для многолучевых СВЧ приборов клистронного типа / В.А. Сенчуров, В.А. Царев // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т./ Сарат. гос. техн. ун-т. - Саратов, 2009. Т. 1. - С. 247.-249

6. Сенчуров В.А. Новые типы многолучевых пространственно развитых электродинамических систем для высокоэффективных СВЧ-приборов клистронного типа / В.А. Сенчуров, В.А. Царев, А.Ю. Мирошниченко // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. / Сарат. гос. техн. ун-т. - Саратов, 2010. -

C. 278-283.

7. Сенчуров В.А. Двухзазорные многоканальные резонаторы с двумя кратными резонансными частотами / В.А. Сенчуров, В.А. Царев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т. - Саратов, 2010. - С. 8-12.

8. Сенчуров В.А. Исследование многолучевых пространственно-развитых резонаторов для высокоэффективных СВЧ-приборов клистронного типа / В.А. Сенчуров, В.А. Царев // Инновации и актуальные проблемы техники н

технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т./ Сарат. гос. техн. ун-т. - Саратов, 2010. Т. 1. - С. 217.-219.

9. Сенчуров В.А. Синтез многолучевых однозазорных и двухзазорных клистронных резонаторов с кратными резонансными частотами / В.А. Сенчуров, В.А. Царев // Молодой ученый. Чита, 2011. - Вып. 3(26)/2011. -С. 80-85.

10. Сенчуров В.А. Анализ современного состояния и перспективы развития электростатических ионных двигателей / В.А. Сенчуров // Интернет и Инновации: практические вопросы информационного обеспечения инновационной деятельности: материалы Междунар. науч.-практ. конф./ Сарат. гос. техн. ун-т. - Саратов, 2008. - С. 358-363.

11. Senchurov V.A. The rezonanse system for making a regulate thrust force in the electrical ion thruster / V.A. Senchurov, V.A. V.A. Tsarev, A.A. Skripkin, A.Y. Miroshnichenko // 10th IEEE International Vacuum Electronics Conference IVEC 2009. - Rome, Italy, 2009. - P. 373-374.

Подписано в печать 22.11.11 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1.0

Тираж 100 экз. Заказ 306 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

4)0054, 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

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Резонаторы для СВЧ приборов клистронного типа.

1.1.1. Несинусоидальная скоростная модуляция.

1.1.2 Конструкции однозазорных резонаторов для несинусоидальной скоростной модуляции.

1.1.3 Конструкции двухзазорных резонаторов для несинусоидальной скоростной модуляции.

1.1.4. Резонаторы с кратными частотами основного и собственных высших видов колебаний.

1.1.5 Резонаторы с тремя кратными частотами.

1.1.6. Многолучевые клистроны, содержащие резонаторы с кратными частотами разных видов колебаний.

1.2. Резонансное ускорение сгустков электронов в клистронном преобразователе СВЧ-энергии в энергию постоянного тока.

1.3. Аналогия между многолучевым СВЧ прибором и электрическим ракетным двигателем.

1.4. Выводы.

Глава 2. МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ОДНОЗАЗОРНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ, НАСТРОЕННЫЕ НА КРАТНЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТЫ.

2.1 Общие положения.

2.2. Методика расчета многоканального однозазорного резонатора цилиндрической формы, настроенного на резонансные частоты кратные двум.

2.3. Методика расчета электронных параметров резонатора, нагруженного пучком.о и

2.4 Методика оптимизации однозазорных резонаторов.

2.5. Программа «ВЕ201ЧЕ» и результаты ее тестирования.

2.6. Оптимизация параметров и конструкции резонаторов.

2.7. Выводы.

Глава 3. ДВУХЗАЗОРНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ С ДВУМЯ КРАТНЫМИ РЕЗОНАНСНЫМИ ЧАСТОТАМИ.

3.1 Общие положения.

3.2. Методика расчета электродинамических параметров двухзазорного пространственно-развитого резонатора.

3.3 Синтез режима с кратными резонансными частотами.

3.4. Перестройка резонаторов за счет изменения длины зазоров и введения подстроенного элемента (стержня) в максимум электрического поля резонатора.

3.5. Выводы.

Глава 4. ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ РЕЗОНАТОРОВ В МНОГОЛУЧЕВЫХ ПРИБОРАХ И УСТРОЙСТВАХ.

4.1. СВЧ-нагрев.

4.2. Оценка эффективности использования клистрода, как удвоителя частоты - источника СВЧ энергии.

4.3. Применение многоканальных резонансных систем для резонансного ускорения потока заряженных частиц.

4.3.1. Расчет расстояния между экранным и управляющим электродами в устройстве регулируемой силы тяги.

4.3.2. Расчет длины волны генератора высочастотных колебаний в устройстве регулируемой силы тяги.

4.3.3. Расчет скорости ионов на выходе ионного двигателя.

4.3.4. Сравнение эффективности устройства для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе с 4-х сеточным ракетным двигаелем 0840.

4.4 Выводы.

Мощные СВЧ-приборы клистронного типа находят широкое применение в системах космической и телевизионной связи, в передатчиках РЛС, в СВЧ-энергетике, ускорителях заряженных частиц и в других областях науки и техники [1,2]. Эксплуатационные характеристики этих приборов, их электрические и конструктивные параметры определяются областью применения и диапазоном рабочих частот и существенно зависят от типа и геометрических размеров резонаторов и электронно-оптических систем.

В настоящее время получили широкое распространение многолучевые многорезонаторные пролетные клистроны (МЛК) и клистроды (МЛКД). Они позволяют усиливать или генерировать высокочастотные мощности до нескольких десятков и, даже сотен кВт, при ускоряющих напряжениях в 2-3 раза меньше, чем у обычных однолучевых клистронов. Низкий микропервеанс одного луча (рц1 =0.2-0.3 мкА./В3/2) и малые поперечные размеры лучей в каждом канале обеспечивают предельно малые кулоновские силы продольного расталкивания, что способствует достижению высокой эффективности группирования электронов. Суммарный микропервеанс многолучевого потока увеличивается пропорционально числу лучей Ы, что позволяет создавать малогабаритные низковольтные СВЧ приборы. Они могут работать в режиме усиления одного или одновременно двух сигналов, в режиме умножения частоты, в режиме генерации, а также в режиме резонансного ускорения, как в ускорителях заряженных частиц.

При большом уровне выходной мощности одним из основных требований к таким приборам является достижение высокого КПД (до 80- 90%).

В разработанных к настоящему времени многолучевых СВЧ приборах применяют различные колебательные системы: однозазорные и двухзазорные резонаторы коаксиального и радиального типов с плотным размещением отдельных каналов в пролетной трубе, однозазорные и двухзазорные пространственно - развитые резонаторы с неплотным расположением пролетных каналов, расположенных на одном расстоянии относительно оси прибора.

Для повышения КПД в МЛК можно использовать режим несинусоидальной скоростной модуляции, при которой форма модулирующего напряжения в резонаторах близка к пилообразной. Этот способ улучшения эффективности группировки в однолучевых приборах впервые предложил Эрлин Лайн [3]. В современных высокоэффективных однолучевых клистронах это достигается введением двух дополнительных резонаторов второй гармоники в резонаторную систему клистрона. При этом увеличивается длина прибора, а следовательно, его габариты и масса.

Устранить этот недостаток можно за счет сокращения числа резонаторов путем возбуждения в одном резонаторе одного или двух высших видов колебаний, кратных основному виду. Исследованием возможности использования паразитных высших видов колебаний в качестве рабочих для реализации режима несинусоидальной скоростной модуляции в однолучевых клистронах занимались многие отечественные ученые: Андреев В.Г., С.Н. Голубев, С.А. Зусмановский, Ю.А. Кацман, В.И. Кучугурный, C.B. Лебединский. В последнее время начались интенсивные исследования возможности возбуждения кратных видов колебаний в многоканальных-конструкциях резонаторных систем (А.Н. Королев, К.Г. Симонов).

Однако рекомендации для оптимального конструирования двухчастотных резонаторов были предложены для использования только в однолучевых клистронах. В связи с этим большой интерес представляют работы, направленные на разработку многоканальных резонаторов с кратными резонансными частотами для многолучевых конструкций приборов. Создание таких систем затрудняется в связи с недостаточной теоретической и экспериментальной исследовательностью поведения основного и высших видов колебаний, как в однозазорных, так и в двухзазорных конструкциях. Трехмерный характер таких конструкций усложняет численное исследование, так как требуется перебор большого числа вариантов. Отсутствие адекватных аналитических моделей, методик синтеза и оптимизации таких систем приводит к тому, что процесс проектирования остается чисто экспериментальным, требует больших затрат времени и материальных ресурсов.

Основной целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка многоканальных однозазорных и двухзазорных клистронных резонаторов, выполненных на основе ступенчато-неоднородных отрезков линии передачи, оптимизация их параметров для достижения высокой эффективности при взаимодействии электронных потоков с электромагнитными полями кратных по частоте основного и высшего видов колебаний в многолучевых СВЧ приборах клистронного типа, работающих в режиме несинусоидальной скоростной модуляции или в режиме умножения частоты.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- теоретическое и экспериментальное исследования поведения основного и высших видов колебаний в разных по конструкции однозазорных многоканальных резонаторах;

- разработка аналитической методики расчета электродинамических характеристик и программы численного моделирования для оперативного синтеза на кратные резонансные частоты многоканальных однозазорных резонаторов с плотным расположением пролетных каналов;

- оптимизация многоканальных однозазорных резонаторов различных форм, настроенных на кратные резонансные частоты, по комплексу электронных, электродинамических и массогабаритных параметров;

- теоретическое и экспериментальное исследование поведения основного и высших видов колебаний в двухзазорных многоканальных резонаторах древовидного» типа с неплотным расположением пролетных каналов и способов управления частотами собственных видов колебаний этих резонаторов для достижения условий кратности основного и высших видов колебаний и повышения эффективности взаимодействия с пучками на кратных частотах;

- оценка эффективности применения разработанных и исследованных резонаторных систем в высокоэффективных усилительных многолучевых клистронах и клистродах - удвоителей частоты и выработка практических рекомендаций по использованию их в различных областях науки и техники, включая СВЧ нагрев.

Объектом исследования являются многолучевые СВЧ устройства (или их модели) с модуляцией потока заряженных частиц по скорости и по плотности, в которых используются резонаторы с кратными частотами.

Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:

1. Разработанная методика расчета и компьютерного моделирования электродинамических характеристик основного и высших видов колебаний в многоканальных однозазорных резонаторов, основанная на комбинированном использовании приближенно-аналитических (методы эквивалентных длинных линий) и численных (метод конечных элементов в частотной области), а также теории подобия, позволяет исследовать условия возбуждения этих резонансных систем на основном и высших видах колебаний, частоты которых находятся в отношении 2:1.

2. Теоретически и экспериментально исследованные способы настройки резонаторов и обнаруженные закономерности поведения комплекса электронных, электродинамических и массогабаритных параметров позволяют найти оптимальную форму и размеры многоканального однозазорного резонатора, соответствующие наивысшей эффективности взаимодействия электронного пучка с основным и первым высшим видом колебаний при минимальной продольной высоте резонатора.

3. Разработанная аналитическая методика оперативного расчета электродинамических параметров, не имеющих осевой симметрии, многоканальных двухзазорных резонаторов «древовидного» типа, основанная на методе эквивалентных длинных линий, позволяет исследовать основные закономерности поведения частоты основного (противофазного) вида колебаний и частоты первого высшего (синфазного) вида колебаний от числа лучей и других влияющих факторов, а также определить условия настройки этих систем, при которых частоты находятся в отношении 2:1, 3:1.

4. На основе проведенных численно-аналитических расчетов показано, что в семилучевом клистроде-удвоителе с дополнительным промежуточным двухчастотным однозазорным резонатором и выходным резонатором, настроенным на частоту второй гармоники конвекционного тока, можно получить на частоте 2450 МГц ранее недостижимые значения выходных параметров: КПД, близкий к 70 % при уровне выходной непрерывной мощности около 10 кВт.

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 хорошим соответствием расчетных и экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной аппаратуры.

Практическая значимость состоит в следующем:

1. Разработанная аналитическая методика оперативного синтеза многоканальных однозазорных резонаторов, настроенных на кратные резонансные частоты, и созданная на ее основе программа «BEZONE» свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011613602) могут быть использованы в производстве на начальном этапе проектирования многолучевых приборов: усилительных клистронов и клистродов, умножителей и преобразователей частоты, выпрямителей СВЧ энергии в энергию постоянного тока. Применение программы «ВЕ20ЫЕ» позволит уменьшить трудоемкость и время расчета по программам трехмерного моделирования, а также трудоемкость экспериментальных исследований.

2. Практические рекомендации для выбора оптимальной конструкции и параметров резонаторов с кратными резонансными частотами и способам их настройки могут быть использованы при создании новых типов элестровакуумных СВЧ-приборов с улучшенными выходными характеристиками и эксплуатационными параметрами, например, при разработке клистронов и клистродов, работающих в двух диапазонах рабочих частот, а также в многолучевых приборах, предназначенных для формирования мощного сверхширокополосного сигнала.

3. Полученные экспериментальные данные по оценке точности расчета электродинамических параметров резонаторов сложной трехмерной конфигурации могут быть использованы при тестировании существующих и разрабатываемых З-О программ численного моделирования таких систем.

4. Полученные знания по электродинамическим свойствам исследованных резонансных систем и особенностям их взаимодействия с электронным потоком могут быть полезны для использования в учебном процессе высших учебных заведений по направлению «Электроника и наноэ л ектроника».

Реализация результатов работы.

Результаты работы 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, выносимые на защиту:

1. Разработанная программа оперативного синтеза резонаторов «ВЕгОЫЕ», основанная на методах теории подобия и эквивалентных длинных линий, позволяет осуществить оперативный синтез однозазорных многоканальных резонаторов с кратностью резонансных частот /2 = 2/, основного и высшего видов колебаний с погрешностью, не превышающей 11.5%.

2. Среди возможных конструктивных форм многоканальных однозазорных резонаторов с кратностью частот основного и первого высшего видов колебаний, равной двум, выполненных на основе ступенчато-неоднородных отрезков резонансных линий (коаксиальной линии, линии, состоящей из последовательно соединенных радиального и коаксиального отрезков и свернутой коаксиальной линии) наивысшее эффективное характеристическое сопротивление на высшем виде колебаний при минимальной высоте резонатора обеспечивает резонатор на основе свернутой коаксиальной линии.

3. Исследованные физические и конструктивные особенности многоканальных пространственно развитых двухзазорных резонаторов «древовидного» типа с однородным и ступенчато-неднородным цилиндрическим корпусом позволяют обеспечить соотношение частот противофазного и синфазных видов колебаний, соответственно: двух частот с кратностью 1:2 и трех частот с соотношением 1/3/6 (^прот =816.667 МГц, ^2синф=2450 МГц, fзcинф:=4900 МГц), а также с другим, разрешенным в промышленности, соотношением частот (^Прот=915 МГц, f2cинф==2450 МГц, ^зсинф -4900 МГц).

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6-ти научно-технических конференциях:

- Международной научно-практической конференции «Интернет и инновации. Практические вопросы информационного обеспечения инновационной деятельности», Саратов, 19-20 ноября 2008 г.;

- 10th IEEE International Vacuum Electronics Conference IVEC 2009, Rome, Italy, 28-30 April, 2009;

- Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий», Саратов, 15-16 сентября 2009 г.;

- Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010», Саратов, 22-23 сентября 2010 г.;

- Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий», Саратов, 26-29 октября 2010 г.;

- XXIV Международной научной конфененции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24», Саратов, 21-24 апреля 2011г.;

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них две статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 115 страниц, включая 13 таблиц, 70 рисунков, 65 формул, список литературы состоит из 72 наименований.

4. 4 Выводы

1. На основе проведенных численно-аналитических расчетов получена оценка выходных параметров многолучевого клистрода-умножителя с дополнительным промежуточным двухчастотным однозазорным резонатором и выходным резонатором, настроенным на частоту второй гармоники конвекционного тока. Показано, что в таком устройстве можно получить КПД, близкий к 70 % на частоте 2450 МГц при высоком уровне выходной мощности.

2. На основе теории подобия найдены критерии, позволяющие провести аналогию между многолучевыми электронными СВЧ-приборами с модуляцией по плотности и по скорости и многолучевыми многоэлектродными системами, используемыми в электростатических реактивных ионных двигателях. Показано, что применение дополнительной ВЧ модуляции по плотности многолучевого потока ионов ксенона позволяет увеличить скорость вылета ионов из электрического ракетного двигателя в 1.2-1.3 раза по сравнению с существующими аналогами.

Заключение

1. Разработана аналитическая методика расчета электродинамических характеристик и программы численного моделирования для оперативного синтеза на кратные резонансные частоты многоканальных однозазорных резонаторов с плотным расположением пролетных каналов;

2. Проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований поведения основного и высших видов колебаний в разных по конструкции однозазорных многоканальных резонаторах. Показана возможность управления частотами собственных видов колебаний этих резонаторов для достижения условий кратности основного и первого высшего вида колебаний, а также повышения эффективности взаимодействия с пучками на кратных частотах.

3. Проведена оптимизация многоканальных однозазорных резонаторов различных форм, настроенных на кратные резонансные частоты, по комплексу электронных, электродинамических и массогабаритных параметров. Установлено, что наивысшее эффективное характеристическое сопротивление на высшем виде колебаний при минимальной высоте резонатора обеспечивает конструкция на основе свернутой коаксиальной линии.

4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования поведения основного и высших видов колебаний в двухзазорных многоканальных резонаторах «древовидного» типа с неплотным расположением пролетных каналов и способов управления частотами собственных видов колебаний этих резонаторов для достижения условий кратности основного и высших видов колебаний и повышения эффективности взаимодействия с пучками на кратных частотах.

5. Разработанная аналитическая методика оперативного расчета электродинамических параметров, не имеющих осевой симметрии, многоканальных двухзазорных резонаторов «древовидного» типа, основанная на методе эквивалентных длинных линий, позволяет исследовать основные закономерности поведения частоты основного (противофазного) типа колебаний и частоты первого высшего (синфазного) типа колебаний от числа лучей, и других влияющих факторов, и определить условия настройки этих систем в отношении частот 2:1, 3:1.

6. На основе проведенных численно-аналитических расчетов показано, что в семилучевом клистроде-удвоителе с дополнительным промежуточным двухчастотным однозазорным резонатором и выходным резонатором, настроенным на частоту второй гармоники конвекционного тока, можно получить на частоте 2450 МГц ранее недостижимые значения выходных параметров: КПД, близкий к 70 % при уровне выходной непрерывной мощности, около 10 кВт.

1. Патент RU №2390870, МПК H01J25/02 СВЧ прибор клистронного типа (варианты). Королев А. Н., Лямзин В. М., Мамонтов А. В., Симонов К. Г. Опубл. В БИ 2010.

2. Патент RU №2364978, МПК H01J25/10 СВЧ прибор клистронного типа. Королев А. Н., Симонов Г. К., Симонов К. Г. Опубл. В БИ 2009г.

3. Pat. № 3811065 United States, Int. CL H 01J 25/10 Velocity modulation microwave tube employing a harmonic prebuncher for improved efficiency / Erling L. Lien, 1974.

4. Варнавский A.H. Оптимальное группирование в широкополосных клистронах. «Электронная техника» сер.1 Электроника СВЧ; 1983, №12,с. 3-14.

5. Канавец В.И., Лебединский С.В. и др. Мощные многорезонаторные клистроны с высоким КПД // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ,1976 .-N 11 .-С. 33-45.

6. Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по СВЧ электронике для физиков. Т.1. -М.: Физматлит, 2003.

7. Лебедев И.В., под. ред. Девяткова Н.Д. Техника и приборы сверхвысоких частот. Изд. 2-е Электровакуумные приборы СВЧ, Т. 2. М.: Высшая школа, 1972.

8. Федоров Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы: 2-е изд., перераб. и доп. М.: Атомиздат, 1979.

9. Григорьев А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ Численные методы расчета и проектирования. М.: Радио и связь, 1984.

10. Pat. № 3359452 United States, Int. CL H 01J 25/10 Resonator for non-sinusoidal periodic waveforms. / Quentin A. Kerns. California, 1967.

11. Авторское свидетельство SU №1279441 AI, МПК H01J23/18 Тороидальный резонатор СВЧ-прибора. Андреев В.Г., Белугин В.М., Андреев Н.В, Опубл. В БИ 1990г.

12. Авторское свидетельство SU №1376828 AI, МПК H01J23/18 Резонатор СВЧ-прибора. Андреев В.Г., Андреев Н.В., Белугин В.М., Сытченко И.А. Опубл. В БИ 1991г.

13. Авторское свидетельство СССР №527769, МПК H01J25/10 Объемный резонатор для несинусоидальной периодической формы сигнала. Кацман Ю.А., Андожский С.О., Требич В.Д., Лебединский С.В., Кучугурный В.И. Опубл. В БИ 1976г.

14. Патент RU № 930428, МПК H01J23/18 Резонатор для несинусоидального периодического сигнала. Царев В.А., Голубев С.Н. Опубл. В БИ 1982г.

15. Патент RU № 2037903, МПК НО 1J23/18 Резонатор для несинусоидального сигнала. Клокотов В.М., Царев В.А., Ширшин В.И. Опубл. В БИ 1995.

16. Авторское свидетельство SU №1075860 AI, МПК H01J25/10 Мощный пролетный многорезонаторный клистрон с повышенным КПД Кацман Ю.Л., Мовнин С.М., Иванов A.B., Лебединский С.В., Павлов О.И. Опубл. В БИ 1993г.

17. Авторское свидетельство SU 1210602 МПК H01J23/18 Резонатор для несинусоидального периодического сигнала. Царев В.А., Голубев С.Н. Опубл. В БИ 1995.

18. Голубев С.Н., Лошакова И.И., Царев В.А. Многорезонаторный пролетный клистрон Саратов: Ротапринт, 1984.

19. Патент RU №2297686, МПК H01J025/00, Многодиапазонный электровакуумный СВЧ-прибор типа О., Копылов В. В., Письменко В. Ф., 2007г.

20. Вамберский М.В., Казанцев В.И., Шелухин С.А. Передающие устройства СВЧ. -М.: Высшая школа, 1984.

21. Haeff А. V. Electronics. 1939. V. 12. № 12. Р. 30.

22. Chandra К., Gavin M. R. Klystrons with Double-gap Bunchers / Journ. of electronics and control. First series. 1964. V. 16, №1. P. 65-75.

23. Bramanti C., Fearn D. The Design and Operation of Beam Diagnostics for the Dual Stage 4-Grid Ion Thruster / 30th International Electric Propulsion Conference. Florence, Italy, 2007.

24. Bramanti C., Walker R., Fearn D The innovative Dual Stage 4-Grid Ion Thruster Concept -Theory and experimental results, 2007.

25. Царев В.А., Сенчуров В.A. «BEZONE» / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011613602 от 10.05.2011.

26. Ansoft HFSS. Corpo., Pittsburgh, PA, USA, 1999.

27. Орлов С.И. Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов, Изд-во "Советское Радио", 1970, 256 с

28. Царев В.А., Сенчуров В.А. Синтез однозазорных резонаторов с кратными резонансными частотами для многолучевых СВЧ приборов клистронного типа/ Материалы Всероссийской науч.-практ. конф., Саратов, 2009, с. 247.-249.

29. Хайков А.З. Клистронные усилители. М.: Связь, 1974.

30. Григорьев А.Д. Электродинамика и микроволновая техника: Учебник. 2-е изд. СПб.: Лань, 207.

31. Петров Г.С. Обобщенные выражения для коэффициента взаимодействия и электронной проводимости в двойном высокочастотном зазоре // Электронная техника, серия 1, «Электроника СВЧ», 1969, вып.5 с. 137-140.

32. Пчелинцев Г.А., Сальникова Д.А., Царев В.А. Перспектива применения клистродов для целей СВЧ энергетики / Радиотехника и связь: Материалы Международной научно-технической конференции, Саратов 18-20 мая, 2005, с. 382-385.

33. Фаронов B.B. Delphi. Программирование на языке высокого уровня: Учебник для вузов, СПб.: Питер, 2003г., 640с.

34. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1975.

35. Григорьев А.Д., Силаев С.А. Расчет электромагнитного поля азимутально неоднородных типов колебаний аксиально-симметричных резонаторов с произвольной формой образующей. Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ, 1981, вып. 2, стр. 62 -65.

36. Царев В.А., Сенчуров В.А. Исследование различных способов настройки многоканальных однозазорных резонаторов на кратные резонансные частоты / Журнал радиоэлектроники. (Электронная версия). 2011. -№. 9.

37. Банков С.Е. Анализ и оптимизация трехмерных СВЧ-структур с помощью HFSS: HFSS-эвристический подход к проектированию; Точность и наглядность моделирования; Пошаговое обучение работе с HFSS и др. 2-е изд. М.: COJTOH-ПРЕСС, 2005.

38. Банков С.Е., Курушин A.A. Проектирование СВЧ устройств и антенн с Ansoft HFSS. М: ЗАО «НПП «РОДНИК», 2009.

39. Царев В.А., Мирошниченко А.Ю., Фисенко Р.Н. Кузнецов Р.Ю. Резонатор для многолучевых приборов // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо'2003: материалы 13 Междунар. Крымской конф. в 2 т. -Севастополь, 2003. - Т.1 - С. 270.

40. Зусмановский С.А., Зимин С.Ф., Симонов К.Г. Взаимодействие электронного потока с полем двухзазорного резонатора, работающего на противофазном виде колебаний // «Электронная техника», серия 1, «Электроника СВЧ», 1967, вып. 6 с.58-71.

41. Зильберман И.И. Расчет параметров двойного высокочастотного зазора с противофазными напряжениями // «Электронное приборостроение», 1968, вып. 5, «Энергия», с.59-76.

42. Мучкаев В.Ю., Царев В.А. Управление спектром основного и высших видов колебаний в двухзазорных одноканальных и многоканальных резонаторах // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2010. -Вып. 5.-С. 68-73.

43. Горлин O.A., Мишин В.Ю., Федяев В.К., Шишков A.A. Проектирование многолучевого автогенератора СВЧ на двухзазорном резонаторе // Ветник РГРТУ, 2010, №1, вып. 31, с.69-72.

44. Федяев В.К., Пашков A.A., Горлин O.A. Исследование электронного КПД автогенератора на двухзазорном резонаторе с зазорами разной длины // Материалы конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2006»,. Саратов: СГТУ, 2006. С. 36-42.

45. Горлин O.A. Исследование КПД двухзазорных резонаторов // VII всероссийская научная конференция. Таганрог, 2006. С. 263-264.

46. Федяев В.К., Горлин O.A. Автогенератор на двухзазорном резонаторе // Материалы конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2007»,. Саратов: СГТУ, 2007. С. 74-75.

47. Горлин А.О. Исследование электронного КПД двухзазорного автогенератора на первой зоне синфазном виде колебаний // Вестник РГТУ. Вып. 23. Рязань, 2008.С 125-128.

48. Мэддок Р. Дж. Эквивалентные схемы в электронике / пер. с англ., «Энергия», 1972, 328с.

49. Карлинер М.М. Электродинамика СВЧ: Курс лекций. 2е изд. / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2006.

50. Царев В.А., Сенчуров В.А. Исследование характеристик двухзазорных многолучевых пространственно-развитых резонаторов // Вестник Саратовскогогосударственного технического университета. 2010. - №4 (51). - Вып.З. — С. 66-70.

51. Царев В.А., Сенчуров В.А. Синтез многолучевых однозазорных и двухзазорных клистронных резонаторов с кратными резонансными частотами // Молодой ученый. Чита, 2011. Вып. 3(26)/2011. - С. 80-85.

52. Мощные электровакуумные приборы СВЧ. / Под. ред. JI. Клемпитта: Пер. с англ.- М., 1974.-134 с.

53. СВЧ энергетика под ред. Э. Окресса Том 1. Издательство «Мир» Москва 1971г.

54. Патент RU № 2140115, МПК Н 01 J 25/10 / Клистрон. Фрейдович И.А., Воробьев М.Ю., Родионова Т.В., бюл. №29, опубл. 1999.

55. Тув A.A. Трехсантиметровый мощный широкополосный низковольтный многолучевой усилительный клистрон двухствольной конструкции // Радиотехника (Москва). 2000. - №2. - с.51-53.

56. Медовиков B.C. Создание мощных и сверхмощных низковольтных клистронов на основе многолучевых электронно-оптических систем // Радиотехника (Москва). 2000. - №2. - с.58-61.

57. Гельвич Э.А., Жарый Е.В., Закурдаев А.Д., Пугнин В.И. Многолучевые клистроны// Вакуумная СВЧ электроника: Сборник обзоров. Ин т прикл. Физ. РАН. Н. Новгород: Изд - во ИПФ РАН. 2002, с.54-61.

58. Юнаков А.Н. Мощные многолучевые клистроны. // Электрон. Техн. Сер. 1. 2003, №1, с. 31-39.

59. Бесов Ю.Р., Зильберман И.И., Каяльянц Г.И., Муратов В.Н., Петров Г.С., Савминский В.А., Тув А.А., Харит М.А. Усилительные клистроны // Радиотехника (Москва). 2000. - №2. - с.4-8.

60. Shintaro A., Shifumi М., Kunihiro Т., Toshimoto М. High-power, high-efficiency klystrons for industrial heating // NEC Res. and Dev. 1995. - 36. №3.л r\ r\с. чии.

61. Патент RU № 2143767 МПК H 01 J 25/50/ Магнетрон для СВЧ нагрева. Адамович В.А., Еремин В.П., Перовский Э.В., Старец Я.А.; бюл. №36, опубл. 1999.

62. Патент RU № 2144717 МПК Н 01 J 25/50 / Термостабильный магнетрон. Шлифер Э.Д., бюл. №2., опубл. 2000.

63. Григорьев А.Д., Мейев В.А. Комплекс программ автоматизированного проектирования объемных резонаторов и резонаторных замедляющих систем.-Методы выбора и оптимизации проектных решений / Гос.ун.-т.-Горький, 1977,с.93-102.

64. СВЧ энергетика: пер. с англ. / под. ред. Э. Окресса - М.: Мир, 1971.

65. Федяев В.К., Горлин О.А., Мишин В.Ю., Шишков А.А. Проектирование многолучевого автогенератора СВЧ на двухзазорном резонаторе // Вестник РГТУ. Вып. 31. Рязань, 2010. С. 69-72.

66. Федяев В.К., Горлин О.А. Численное моделирование автогенератора на двухзазорном резонаторе // Материалы конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2008»,. Саратов: СГТУ, 2008. С. 49-55.

67. Патент RU №73405 МПК F03H1/00 / Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе. Царев В.А., Скрипкин А.А., Денисов А.А., Опуб. В БИ 20.05.2008 Бюл.№14.

68. Патент 1Ш №98492 МГЖ Р03Н1/00 / Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе. Царев В.А., Скрипкин А.А., Сенчуров В.А., 20.10.2011г.