автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Повышение эффективности многолучевых клистронов и клистродов за счет оптимизации параметров и конструкции резонаторных систем

На правах рукописи

РГ* од

? .4 4ПГ 2^03

МАЙОРОВА Марина Владиславовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОЛУЧЕВЫХ КЛИСТРОНОВ И КЛИСТРОДОВ ЗА СЧЕТ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ И КОНСТРУКЦИИ РЕЗОНАТОРНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2000

Диссертация выполнена в Саратовском государственном техническом университете.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация

- доктор технических наук профессор Б.К. Сивяков

- доктор технических наук Ю.А. Григорьев

- кандидат физико-математических наук, доцент М.В. Давидович

- ОКБ ГНПП "Контакт"

Защита состоится "7" июля 2000 года в 1А_часов на заседании

диссертационного совета Д063.58.06 в Саратовском государственном техническом университете по адресу:

410054, г.Саратов, улЛолитехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 1, ауд. 216 а.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научно-технической библиотеки Саратовского государственного технического университета

Автореферат разослан " £ " июня 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.А.Сосунов

1ШМ-03,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Поиски путей повышения эффективности СВЧ усилителей О-типа на основе улучшения комплекса их. энергетических и массо-габаритных параметров привели к созданию мощных многолучевых клистронов (МЛК). и ЛБВ. МЛК непрерывного режима используются в телевизионных передатчиках,, в аппаратуре тропосферной и спутниковой связи, а также в установках СВЧ нагрева. Широкое применение в передатчиках телевизионных станций может найти и созданный в последние годы в нашей стране новый прибор - многолучевой клистрод (МЛКД), являющийся гибридом двух многолучевых СВЧ приборов: триода и клистрона.

Повышение эффективности мощных пролетных клистронов на протяжении многих лет было и остается одной нз важнейших проблем. Успешное решение этой проблемы зависит от правильного выбора одного из основных узлов конструкции клистронов - резонаторной системы, которая в значительной мере определяет электрические, конструктивные и эксплуатационные характеристики всего прибора. Выбор типа резонатора, в свою очередь, определяется требованиями к выходным параметрам клистрона: диапазоном частот, полосой усиления, импульсной и средней мощностями и другими.

В однолучевых клистронах находят применение различные колебательные системы: однозазорные резонаторы коаксиального и радиального типов, квазистационарные резонаторы, двухзазорные резонаторы с синфазным и противофазным возбуждением и резонаторы с распределенным взаимодействием, выполненные на отрезках замедляющей системы. В МЛК и МЛКД в настоящее время, в основном, применяются однозазорные резонаторы, которые при плотной упаковке пролетных каналов в пределах поперечного сечения одной пролетной трубы работают на основном виде колебаний, а при неплотном расположении пролетных отверстий - на высшем виде колебаний.

В попытке улучшить электрические параметры- СВЧ приборов клистронного типа исследователи и разработчики обращают пристальное внимание не только на оптимизацию параметров традиционных резонаторных систем, но и на создание и исследование новых конструкций резонаторов, к числу которых можно отнести однолучевые и многолучевые многозазорные резонаторы.

Однако в МЛК многозазорные резонаторные системы пока не нашли широкого применения в связи с недостаточностью исследования нелинейных физических процессов в таких системах при отборе энергии от модулированного электронного потока. Кроме этого, из-за сложного трехмерного характера электромагнитного поля в подобных резонаторах и отсутствия аксиальной симметрии, их расчет полевыми электродинамическими методами в настоящее время затруднен, что вызывает необходимость развития приближенных методов, основанных на эквивалентных схемах. В многолучевых приборах с многозазорными резонаторами существенно возрастает число параметров, что затрудняет оптимизацию таких приборов и требует создания методик оперативной оптимизации с использованием приближенных моделей.

Проводимые в последние годы исследования в области миниатюризации СВЧ приборов с использованием новых технологий получения матричных автоэмиссионных катодов (МАЭК) свидетельствуют о перспективности нового класса миниатюрных приборов клистронного типа с электронными пушками на основе МАЭК.

Для таких приборов требуются новые и миниатюрные технологически совместимые резонаторные системы. Однако информация о подобных резонаторных системах и результатах их исследования в зарубежной и отечественной печати практически отсутствует, поэтому представляется актуальным поиск эффективных миниатюрных резонаторных систем, исследование их характеристик и анализ достижимых значений выходных параметров приборов с их использованием.

- Таким образом, создание новых конструкций, разработка эффективных математических моделей и оптимизация параметров резонаторных систем с целью повышения эффективности многолучевых клистронов и клистродов является актуальной задачей современной вакуумной электроники СВЧ.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка математических моделей для оперативного расчета и оптимизации основных параметров и характеристик многозазорных резонаторных систем мощных многолучевых клистронов и клистродов, а также миниатюрных электровакуумных приборов этого типа, выполненных на основе матричных автоэмиссионных катодов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

- анализ известных конструкций, методов расчета и оптимального проектирования многозазорных резонаторов с точки зрения целесообразности их применения при создании высокоэффективных однолучевых и многолучевых приборов дециметровой части СВЧ диапазона;

- разработка приближенных аналитических моделей и определение оптимальной взаимосвязи между выходными (КПД, полоса частот, коэффициент усиления), внутренними параметрами (первеанс, ускоряющее напряжение, число

. лучей) многолучевого клистрона и параметрами многоканального двухзазор-.,, ного резонатора с плотным расположением каналов;

- разработка новых конструкций четырехзазорных одноканальных и многоканальных резонаторов с неоднородным полем, работающих на противофазном виде колебаний, создание математических моделей для расчета основных параметров предложенных резонаторов, а также теоретическое и экспериментальное исследование свойств этих колебательных систем;

- анализ физических процессов отбора энергии в усилительном клистроне с выходным четырехзазорным резонатором с неоднородным полем и нахождение оптимальных для расширения полосы и повышения КПД значений параметра пространственного заряда и функции распределения поля в области взаимодействия;

- разработка методики расчета электродинамических параметров миниатюрных многоканальных двухзазорных резонаторов спирального типа и аналитическая оценка ожидаемых выходных параметров клистронов и клистродов с такими резонаторами и многолучевым потоком, полученным с помощью матричных углеродных автоэмиссионных катодов (МУАЭК);

- разработка программного обеспечения для реализации теоретических результатов проведенных исследований в практику проектирования многолучевых приборов в промышленности и учебный процесс в вузе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Для решения задачи синтеза оптимального двухзазорного выходного резонатора МЛК с плотной упаковкой лучей в пределах поперечного сечения одной

, пролетной втулки разработаны приближенные математические модели, описывающие нелинейные процессы взаимодействия многолучевого электронного потока с полем резонатора и найдены требуемые для достижения максимальных значений произведения КПД на полосу усиления соотношения между параметрами этого резонатора и параметрами многолучевого электронного потока.

2. Предложены новые конструкции четвертьволновых четырехзазорных резонаторов^ неоднородным полем, в которых отношение амплитуд ВЧ напряжения на двух смежных симметричных двойных зазорах можно изменять путем выбора места их включения в общую индуктивную часть резонатора относительно точки короткого замыкания.

3. Впервые исследованы физические процессы отбора энергии в усилительном клистроне с выходным четырехзазорным резонатором с неоднородным полем и найдены оптимальные для расширения полосы и повышения КПД значения параметров пространственного заряда и функции распределения поля в области взаимодействия.

4. Предложены, новые конструктивные схемы многолучевых генераторных клистронов с четырехзазорными резонаторами с неоднородным полем, отличающиеся от классических двухрезонаторных генераторных клистронов высоким КПД (50-60%), большим уровнем выходной мощности (до 3-5 кВт), простотой и малыми габаритами конструкции,

5. Предложен миниатюрный многоканальный двухзазорный металлокерамиче-скяй резонатор с индуктивной частью в виде плоской спирали, выполненной на основе печатной платы, который, с точки зрения получения высоких электродинамических характеристик, простоты изготовления, малых габаритов и массы, является, по сравнению с традиционными конструкциями резонаторов, более перспективным типом резонатора для применения в МЛК с МАЭК при уровнях непрерывной выходной мощности до 1 кВт.

6. Разработана методика расчета электродинамических параметров миниатюрного многоканального двухзазорного резонатора с индуктивной частью в виде плоской спирали, выполненной на основе печатной платы, обеспечивающая приемлемые для инженерной практики погрешности расчета резонансной частоты и характеристического сопротивления .

7. Осуществлена оценка ожидаемых выходных'параметров многолучевых клистронов и клистродов с электронными пушками, выполненными на основе матричных углеродных автоэмиссионных катодов с групповым расположением острий ЯоД отверстиями крупноячеистой управляющей сетки из пиро-литического; графита,- и определены оптимальные режимы модуляции эмиссии, величины относительного напряжения на выходном резонаторе и его эквивалентного резонансного сопротивления с помощью разработанной математической модели клистрода; основанной на использовании закона Фауле-

ра-Нордгейма для переменного сигнала с последующим разложением импульса конвекционного тока в ряд Фурье и дальнейшим применением приближенной теории нелинейной теории клистрона.

Достоверность полученных результатов. Достоверность теоретических результатов обеспечивается фундаментальностью исходных уравнений и законов, используемых для построения математических моделей, корректностью упрощающих предположений и соответствием результатов расчета эксперименту, а там, где это возможно, данным, полученным по другим (более строгим) математическим моделям или путем сравнения с известными данными других исследователей. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением современной стандартной измерительной аппаратуры.

Практическая ценность работы состоит в разработке новых конструкций резонаторных систем с четыремя зазорами и неоднородным полем и миниатюрных с плоской спиралью, выполненной на основе печатной платы, которые позволяют повысить эффективность однолучевых и многолучевых клистронов и клистродов.

Разработанные для предложенных конструкций резонаторов математические модели, методики оптимизаций и программ для ПЭВМ могут быть применены в промышленности для проектирования приборов и в учебном процессе в ВУЗе.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Разработанные приближенные математические модели позволяют адекватно определять непосредственную аналитическую связь между выходными параметрами МЛК и МЛКД и их внутренними параметрами, включающими безразмерные параметры многоканального двухзазорного выходного резонатора. Применение полученных моделей позволяет существенно сократить размерность пространства параметров в процессе оптимального проектирования мощных многолучевых клистронов с термокатодами и миниатюрных СВЧ приборов, выполненных на основе МАЭК.

2. Разработанные методики расчета основных электродинамических параметров многоканальных многозазорных резонаторов для мощных СВЧ-прпборов клистрониого типа и миниатюрных СВЧ приборов с матричными автоэмиссионными катодами обеспечивают приемлемые для инженерной практики погрешности расчета (резонансной частоты менее 5% и характеристического сопротивления не более 10%).

3. В предложенных одиоканальных и многоканальных малогабаритных конструкциях резонаторов, выполненных на четвертьволновых свернутых отрезках линии передачи, нагруженных на емкостные зазоры, можно обеспечить эффективное четырехкратное взаимодействие электронов с неоднородным электрическим ВЧ полем, амплитуда которого определяется выбором места включения емкостного зазора в общую высокочастотную цепь относительно точки короткого замыкания.

4. Применение в клистронах, работающих в длинноволновой части диапазона СВЧ, выходных четырехзазорных резонаторов с неоднородным полем позволяет реализовать, используя разные формы поля в области взаимодействия, либо режим широкополосного усиления, либо узкополосный режим со значениями электронного КПД и полосы, превышающими соот-

ветствующие значения для клистронов с двухзазорными и четырехзазор-ными резонаторами с однородным полем.

Реализация и внедрение результатов работы. Научные результаты внедрены и использованы в ОКБ ГНПП "Контакт" (г. Саратов), в виде рекомендаций по выбору оптимального числа лучей, угла пролета между центрами зазоров выходного двухзазорного бессеточного резонатора, работающего на я-виде колебаний, и параметрами многолучевого электронного потока, которые используются при создании новых типов высокоэффективных многолучевых усилительных клистронов и клистродов с двухзазорными резонаторами в ОКБ ГНПП "Контакт" (г. Саратов) в ходе выполнения НИР "Разработка новых технологий, оборудования и прикладных алгоритмов САПР для создания нового поколения ЭВП СВЧ - многолучевых клистродов для телерадиовещания, связи и СВЧ энергетики". Полученные в работе рекомендации по выбору оптимальной конструкции электронной пушки с матричными автоэмиссионными катодами, предназна-"ченной для формирования многолучевого потока, конструкции й параметров двухзазорных металлокерамических резонаторов, выполненных на основе печатной платы, используются в ОКБ ГНПП "Контакт" при выполнении НИР по теме "Разработка и усовершенствование технологии изготовления многолучевых электронных пушек с матричными автоэмиссионными катодами и создание на этой основе новых типов миниатюрных термо- и радиационностойких СВЧ приборов с резонаторными электродинамическими системами" (Шифр "Углерод").

■ Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Саратов, 1996, 1998 гг.; XXII Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 1997; втором рабочем семинаре "Saratov-Penza Chapter", Саратов, 1998 г.; IV Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", Таганрог, 1998 г.; на заседаниях кафедры "Электронные приборы и устройства" и ежегодных научно -технических конференциях СГТУ в 1995-1999 гг.

Часть работы выполнялась в рамках госбюджетной НИР по проблеме 05В.03 (СГТУ-192).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из списка принятых условных обозначений, введения, четырех глав, заключения,списка использованной литературы и приложения. Ее объем 168 стр., 48 рисунков, 12 таблиц, 67 наименований цитируемых, источников, из которых 10 - публикации автора диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы, научная новизна, положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе "Расчет и оптимизация параметров двухзазорных резонаторов многолучевого клистрона с плотной упаковкой электронных лучей" проведен аналитический обзор, в котором оцениваются преимущества многолучевых клистронов по сравнению с однолучевыми клистронами и осуществлено

решение задачи синтеза оптимального двухзазорного многоканального резонатора.

Анализируются различные конструкции клистронных резонаторов (в частности, двухзазорные) с точки зрения целесообразности их применения в МЛК.

Характерной чертой конструкции бессеточного резонатора МЛК с плотной упаковкой электронных лучей является наличие совокупности отдельных пролетных каналов в пределах единой трубы дрейфа, расположенных по одной или нескольким концентрическим окружностям. Общий диаметр трубы дрейфа, в пределах которого размещены индивидуальные каналы, ограничивается величиной, при которой изменение амплитуды продольного ВЧ электрического поля по радиусу в зазоре выходного резонатора не превышает 10%.

Вследствие многофакторности и сложного характера электрического поля в объеме резонатора решение задачи оптимизации для МЛК с-двухзазорными резонаторами затруднено.

Для решений задачи синтеза оптимального двухзазорного выходного резонатора МЛК разработаны приближенные математические модели для оценки величины характеристического сопротивления, коэффициента эффективности взаимодействия и шунтирующей электронной проводимости в нелинейном режиме, не требующие вычисления функций Бесселя и решения сложных трансцендентных уравнений. Создана программа оперативной оптимизации, позволяющая, в зависимости от постановки задачи, использовать в качестве функции цели либо максимально достижимые значения отдельных заданных выходных параметров (относительной полосы усиливаемых частот - ДОТ0 и электронного КПД - г|е), либо их произведение - показатель качества Фич.

Проведенные расчеты однолучевых клистронов и МЛК показали, что при условии оптимального режима обмена энергией между пучком и полем резонатора, определяемого максимумом отрицательной шунтирующей электронной проводимости, наибольший выигрыш (примерно в 1.5 раза) в уменьшении величины ускоряющего напряжения с увеличением числа лучей в МЛК с двухзазорными резонаторами может быть достигнут в б-лучевом приборе. При дальнейшем увеличении числа лучей ускоряющее напряжение снижается незначительно.

С увеличением числа лучей оптимум зависимости эффективного характеристического сопротивления от угла пролета между центрами зазоров уЬ смещается, по сравнению с однолучевым прибором, в сторону меньших значений уЬш(Г

Полученные расчетные соотношения использованы в разработанной программе оперативной оценки оптимальных параметров многолучевых клистронов с двухзазорными резонаторами, возбуждаемыми на противофазном виде колебаний. Применение полученных моделей позволило существенно сократить число варьируемых параметров в процессе оптимального проектирования. В результате существенно уменьшилось время на оптимизацию многолучевых клистронов.

Во второй главе "Повышение эффективности мпогорезопаторных клистронов с резонаторами, содержащими распределенные участки взаимодействия" проведен краткий анализ литературных и патентных источников по известным однолучевым и многолучевым конструкциям приборов клистронного типа, использующих многозазорные резонаторы и исследованы новые четырехзазор-ные резонаторы с неоднородным распределением поля на зазорах.

длины труб дрейфа (таблица 1). Показано, что в четырехзазорных резонаторах с удлиненной средней трубой дрейфа увеличение пространственного заряда приводит к более существенному расширению полосы усиления прибора по сравнению с резонатором, имеющим одинаковые длины пролетных труб. Кроме того, из-за уменьшения относительной амплитуды ВЧ напряжения на парциальных зазорах уменьшается вероятность обратного выброса электронов из выходного зазора резонатора, которые могут нарушить нормальную работу прибора в режиме максимального КПД.

Наиболее целесообразно применять эти резонаторы в генераторных КРВ. Клистронный генератор при выполнении его конструкции многолучевой и использовании одного общего четырехзазорного пространственно-развитого резонатора с удлиненной пролетной трубой может приобрести новые качества: высокий КПД, малые габариты и массу, а также большую выходную мощность. Отличительной особенностью таких КРВ является простота конструкции, так как такой прибор будет содержать всего один резонатор, что значительно упрощает механическую перестройку частоты генератора.

Так как катод в этих приборах, в отличие от магнетронов, вынесен за пределы области взаимодействия, то может быть обеспечен высокий срок службы. Они могут найти применение в малогабаритных ВЧ и СВЧ-нагревательных устройствах с низкой рабочей частотой (433 МГц или 40 МГц), с уровнем выходной мощности (1-5 КВт) и высоким КПД (не менее 50%).

Рассмотренные выше конструкции резонаторов могут быть рассчитаны с помощью обобщенной эквивалентной схемы и математических моделей, приведенных в главе II. , ,

В четвертой главе "Расчет и оптимизация параметров резонансных систем многолучевых СВЧ приборов кластротюго типа с автоэлектронными катодами и оценка их ожидаемых выходных параметров" проведена оценка разработки новых миниатюрных многолучевых СВЧ приборов клистронного типа с электронными пушками, выполненными на основе матриц автоэмиссионных катодов (МАЭК) с использованием интегральных технологий.

Использование в таких приборах объемных резонаторов затруднено, так как они оказываются слишком большими для микроприборов и не вписываются в микроэлектронную технологию, а традиционная технология не может обеспечить требуемые точность и качество обработки. Поэтому необходим переход к новым резонансным системам с квазисосредоточенными параметрами, обладающим стабильностью электрических характеристик, легкостью перестройки резонансной частоты, простотой изготовления, малыми габаритами и массой.

Предложена новая малогабаритная конструкция двухзазорного многоканального резонатора с индуктивной частью, выполненной на печатной плате (диэлектрической подложке) с нанесенным на нее двойным центральным металлическим проводником, представляющим собой свернутый в виде незамкнутого кольца внутренний электрод экранированной симметричной полосковой высокодобротной линии (рис.5).

При использовании металлических проводников, полученных методом напыления, можно ожидать достижения уровней выходной мощности 100-500 Вт в непрерывном режиме. При выполнении центральных проводников высокодоб-

ротной полосковои линии в виде металлических лент с конечной толщиной возможно дальнейшее увеличение выходной мощности до 1-2 кВт.

1 = ^ Сп .

I,

б

Рис.5. Схематическое изображение конструкции резонатора (а) и его эквивалентная схема (б)

Разработана методика расчета электродинамических параметров таких резонаторов, которая обеспечивает их расчет с приемлемой для практики точностью. Экспериментально установлено, что относительные погрешности расчета не превышают 5% для резонансной частоты и 10% для характеристического сопротивления. Величина характеристического сопротивления таких резонаторов на частотах от 1.5 до 2.5 ГГц находится в пределах 200300 Ом.

!

/

3 V

у У 9е /

08С» 1.20 [(¡/и

Рис.6. Зависимости нормированного сопротивления выходного резонатора (а) и электронного КПД па первой гармонике (б) от относительной амплитуды высокочастотного напряжения на выходном резонаторе при различных значениях амплитуды модулирующего напряжения к напряжению смещения на сетке - У„/У^(1 - У„/Уг=0.9; 2 - У„/У^ =0.5; 3 - У„/У& =й ])

Проведены исследования эффективности взаимодействия таких колебательных систем с электронным потоком в четырехрезонаторном МЛК, рассчи-

тайном для работы на частоте 2.45 ГГц с 7-пушечной электронно-оптической системой, в основу которой положена разработанная группой Ю.А. Григорьева (ГНПП "АЛМАЗ") электронная пушка с матричными углеродными автоэмиссионными катодами (МУАЭК). Диаметр Пролетного канала 4 мм. С помощью такой пушки при напряжении 4 кВ можно получить ток одного луча 36-40 мА при общем токе 250 мА и диаметре одного луча 2.5-2.7 мм.

Рассматривался режим работы с высоким КПД, реализуемый за счет настройки третьего резонатора одновременно на основную и удвоенную частоты. В результате показана возможность получения при современном техническом уровне следующих выходных параметров: электронный КПД - 60 %., выходная мощность в непрерывном режиме - 600 Вт, коэффициент усиления - 35 дБ, полоса усиливаемых частот около 1%.

- Для оценки ожидаемых выходных параметров многолучевого клистрода с МУАЭК разработана методика расчета такого прибора, основанная на использовании закона Фаулера-Нордгейма для переменного сигнала с последующим разложением импульса конвекционного тока в ряд Фурье и дальнейшим применением приближенной нелинейной теории МЛК. Некоторые результаты численных расчетов по этой методике, проведенные с учетом нелинейного характера взаимодействия электронов с полем выходного бессеточного резонатора для эквивалентного угла пролета зазора этого резонатора (р=л/2 представлены на рис.6.

В заключение укажем, что при оптимальных параметрах (Vtr/Vg>0.5, U2/Uo~1.2, pQH/Ro~l) в многолучевом клистроде, имеющем 28 матриц углеродных автокатодов с общим током около 1 А, вполне достижим на современном техническом уровне в дециметровой части диапазона СВЧ уровень выходной непрерывной мощности около 3 кВт при электронном КПД, примерно равном 80%.

В заключении приведены основные выводы и результаты диссертационной работы.

В приложении приведены тексты разработанных программ расчета и акт внедрения результатов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ II РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ известных конструкций, методов расчета и оптимального проектирования многозазорных резонаторов и дана оценка целесообразности их применения при создании высокоэффективных однолучевых и многолучевых приборов дециметровой части СВЧ диапазона.

2. Разр'аботаны приближенные аналитические модели для определения оптимальной взаимосвязи между внешними и внутренними параметрами многолучевого клистрона и параметрами многоканального двухзазорного резонатора с плотным расположением каналов, установленного на выходе этого прибора. На основе этих моделей создана простая оперативная программа оптимизации, позволяющая, в зависимости от постановки задачи, в качестве функции цели использовать либо максимально достижимые значения отдельных заданных выходных параметров относительной полосы усиления -Af/f0 или электронного КПД - г)е, либо их произведения. Ее применение целесообразно на начальном этапе проектирования, после чего необходимо уточнение

' оптимальных параметров прибора с применением других программ, основанных на использовании более строгих численных моделей. Это позволяет существенно уменьшить время на проектирование многолучевых клистронов.

3. Предложены новые конструкции четвертьволновых четырехзазорных резонаторов с неоднородным полем, в которых отношение амплитуд ВЧ напряжения на двух смежных симметричных двойных зазорах можно изменять путем выбора места их включения в общую индуктивную часть резонатора относительно точки короткого замыкания.

4. Впервые исследованы физические процессы отбора энергии в усилительном клистроне с выходным четырехзазорным резонатором с неоднородным полем и найдены оптимальные для расширения полосы и повышения КПД значения параметров пространственного заряда и функции распределения поля в области взаимодействия.

5. Предложены новые конструктивные схемы многолучевых генераторных клистронов с четырехзазорными резонаторами с неоднородным полем, отличающиеся от классических двухрезонаторных генераторных клистронов высоким КПД (50-60%), большим уровнем выходной мощности (до 3-5 кВт), простотой и малыми габаритами конструкции.

6. Предложен миниатюрный многоканальный двухзазорный металлокерамиче-ский резонатор с индуктивной частью в виде плоской спирали, выполненной на основе печатной платы, который, с точки зрения получения высоких электродинамических характеристик, простоты изготовления, малых габаритов и массы, является, по сравнению с традиционными конструкциями резонаторов, более перспективным типом резонатора для применения в МЛК с МАЭК при уровнях непрерывной выходной мощности до 1 кВт.

7. Разработана методика расчета электродинамических параметров миниатюрного многоканального двухзазорного резонатора с индуктивной частью в виде плоской спирали, выполненной на основе печатной платы, обеспечивающая приемлемые для инженерно^ практики погрешности! расчета' резонансной частоты и характеристического сопротивления. > •

8. Осуществлена оценка ожидаемых на современном техническом уровне выходных параметров многолучевых клистронов и клистродов с электронными пушками, выполненными на основе матричных углеродных автоэмиссионных катодов с групповым расположением острий под отверстиями крупноячеистой управляющей сетки из пиролиткческого графита.

Таким образом, в настоящей работе созданы и исследованы новые конструкции многозазорных резонаторов, разработаны эффективные математические модели и найдены оптимальные параметры мощных многолучевых клистронов и клистродов, а также миниатюрных электровакуумных приборов этого типа, выполненных на основе матричных автоэмиссионных катодов. Использование в приборах клистронного типа исследуемых типов резонаторов приведет к дальнейшему повышению их эффективности.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Майорова М.В., Мирошниченко А.Ю., Царев В.А. Многоканальные двухзазорные резонаторы СВЧ-приборов клистронного типа // Тез. докл. междунар. науч.-технич. конф. " Актуальные проблемы электронного приборостроения", 10-12 сент. 1996 г. - Саратов, 1996,-С.93-94.

2. Вайман А.В., Майорова М.В., Царев В.А. Моделирование электродинамических характеристик многоканальных пространственно-развитых СВЧ резонаторов / Тез.докп. XXII Всесоюзн. научн. сессии, посвящ. Дню радио:, Ч.1.-М.: Радио и связь, 1997.-С.112.

3. Майорова М.В., Царев ВА. Аналитическая оценка выходных параметров многолучевых клистронов с двухзазорными резонаторами // Технологические СВЧ установки, функциональные электродинамические устройства: Межвуз. науч. сб. - Саратов: СГТУ, 1998. С. 124-131.

4. Захаров А.А., Майорова М.В., Царев В.А. Миниатюрные полосковые резонаторы для многолучевых СВЧ-приборов на основе матриц автоэмиссионных катодов // Машинное проектирование в прикладной электродинамике и электронике: Труды второго рабочего семинара IEEE MTT/ED/AP/CPMT Saratov-Penza Chapter / Сарат. гос. техн. ун.-г. Саратов, 1998. С. 70-77.

5. Майорова М.В., Царев В.А. Расчет параметров многолучевых СВЧ-приборов клистроного типа, выполненных на основе матриц автоэмиссионных катодов // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Материалы международной научно-технической конференции / Сарат. гос. техн. ун.-т. Саратов, 1998. 4.1. С. 172.

6. Вайман А.В., Майорова М.В., Мирошниченко А.Ю., Царев В.А. Исследование двухзазорных резонаторов для СВЧ-приборов с пространственно-развитыми электронными потоками // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Материалы международной научно-технической конференции / Сарат. гос. техн. ун.-т. Саратов, 1998. 4.2. С. 33.

7. Майорова М.В. Оптимизация параметров металлокерамических резонаторов СВЧ-приборов с матричными автоэмиссионными катодами// Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления: IV Всерос. науч. конф. студ. и аспир: Тез. докл.- Таганрог: ТГРУ, 1998.С. 214.

8. Майорова М.В., Царев В.А. Аналитический расчет клистрода с матричными автоэмиссионными катодами // Функциональные электродинамические системы и устройства, линии передачи СВЧ: Межвуз. научн. сб./ Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов,1999. С.90-95.

9. Вайман А.В., Майорова М.В., Мирошниченко АЛО., Царев В.А. Многолучевые клистроды для нового поколения телевизионных передатчиков // Электронная промышленность. №4. 1999 . C.S.

Ю.Майорова М.В. Перспективы создания многолучевого однорезонаторного клистрода для систем равномерного объемного нагрева // Функциональные электродинамические системы и устройства, линии передачи СВЧ: Межвуз. научн. сб./Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов^ 999. C.14-I8.

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХЗАЗОРНЫХРЕЗОНАТОРОВ МНОГОЛУЧЕВОГО КЛИСТРОНА С ПЛОТНОЙ УПАКОВКОЙ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛУЧЕЙ.

1.1 Преимущества многолучевых клистронов по сравнению с однолучевыми приборами.

1.2 Ограничения, накладываемые на величину емкости зазоров резонаторов многолучевых приборов.

1.2.1 Основные преимущества двухзазорных резонаторов по сравнению с однозазорными.

1.2.2 Оценка величины емкости многоканального резонатора.

1.3. Электродинамические и электронные параметры двухзазорных резонаторов многолучевых клистронов.

1.3.1. Коэффициент эффективности взаимодействия.

1.3.2. Характеристическое сопротивление резонатора.

1.4. Оптимальная связь параметров режима с выходными параметрами многолучевого прибора.

1.5. Результаты оптимизации.

ГЛАВА II. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГО-РЕЗОНАТОРНЫХ КЛИСТРОНОВ С РЕЗОНАТОРАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ УЧАСТКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.

2.1. Резонаторы распределенного взаимодействия для одно лучевых приборов.

2.2 Многозазорные резонаторы с однородным полем для многолучевых приборов.

2.3 Анализ различных конструктивных схем построения четырехзазорных . резонаторов с неоднородным полем.

2.4 Методика расчета электродинамических параметров многозазорного резонатора с неодинаковыми напряжениями на зазорах.

2.5. Результаты математического и физического моделирования электродинамических характеристик многоканальных многозазорных резонаторов.

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ ОТБОРА ЭНЕРГИИ В КЛИСТРОНЕ С ЧЕТЫРЕХЗАЗОРНЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ С НЕОДИНАКОВОЙ АМПЛИТУДОЙ ПОЛЯ НА ЗАЗОРАХ.

3.1. Физические процессы отбора энергии в усилительном клистроне с выходным резонатором, имеющим пролетные трубы равной длины.

3.1.1. Влияние пространственного заряда на выходные параметры клистрона.

3.2. Физические процессы отбора энергии в усилительном клистроне с выходным резонатором, имеющим пролетные трубы разной длины.

3.2.1. Анализ известных конструкций четырехзазорных резонаторов с однородным полем и удлиненной трубой дрейфа.

3.2.2. Четырехзазорные резонаторы с неоднородным полем и удлиненной трубой дрейфа.

3.3. Возможные конструктивные схемы генераторных КРВ с многоканальными четырехзазорными резонаторами с неоднородным полем.

ГЛАВА IV. РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЗОНАНСНЫХ СИСТЕМ МНОГОЛУЧЕВЫХ СВЧ ПРИБОРОВ КЛИСТРОННОГО ТИПА С АВТОЭЛЕКТРОННЫМИ КАТОДАМИ И ОЦЕНКА ИХ ОЖИДАЕМЫХ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ.

4.1. миниатюрные приборы СВЧ с матричными автоэмиссионными катодами.

4.2. Миниатюрные полосковые резонаторы для многолучевых клистронов с автоэмиссионнб1ми катодами.

4.2.1. Методика расчета электродинамических параметров.

4.2.2. Сравнение результатов расчета и эксперимента.

4.3. Расчет и оптимизация параметров многолучевого клистрона с двухзазорными полосковыми резонаторами и электронно-оптической системой, выполненной на основе матриц автоэмиссионных катодов

4.4. Определение оптимальных параметров многолучевого клистрода с матричными автоэмиссионными катодами.

Поиски путей повышения эффективности СВЧ усилителей О-типа на основе улучшения комплекса их энергетических и массогабаритных параметров привели к созданию мощных многолучевых клистронов (МЛК) и ЛБВ. МЛК непрерывного режима используются в радиолокационных станциях, в аппаратуре тропосферной и спутниковой связи, а также в установках СВЧ нагрева. Широкое применение в передатчиках телевизионных станций может найти и созданный в последние годы в нашей стране новый прибор -многолучевой клистрод (МЛКД), являющийся гибридом двух многолучевых СВЧ приборов: триода и клистрона.

Повышение эффективности мощных пролетных клистронов на протяжении многих лет было и остается одной из важнейших проблемных задач дальнейшего совершенствования приборов этого класса. Успешное решение этих задач зависит от правильного выбора основных элементов конструкции клистронов - резонаторных систем, от конструкции и параметров которых в значительной степени зависят электрические, конструктивные и эксплуатационные характеристики этих приборов. Выбор типа резонатора, в свою очередь, определяется требованиями к выходным параметрам клистрона, величиной полосы, импульсной и средней мощностями, рабочим диапазоном частот и другими.

В однолучевых клистронах применяют различные колебательные системы: однозазорные резонаторы коаксиального и радиального типа, квазистационарные резонаторы, двухзазорные резонаторы с синфазным и противофазным возбуждением и резонаторы с распределенным взаимодействием, выполненные на отрезках спирали. В МЛК и МЛКД в настоящее время применяются пока обычные однозазорные резонаторы, которые при плотной упаковке пролетных каналов в пределах поперечного сечения одной пролетной трубы, возбуждают на основном виде колебаний, а при неплотном расположении пролетных отверстий - на высшем виде колебаний.

В попытке улучшить электрические параметры СВЧ приборов клистронного типа исследователи и разработчики этих приборов обращают пристальное внимание не только на оптимизацию параметров традиционных резонаторных систем, но и на создание и исследование новых конструкций резонаторов особенно нетрадиционных типов, к числу которых можно отнести многозазорные резонаторы, являющиеся эффективным средством создания мощных широкополосных клистронных усилителей СВЧ-диапазона с распределенным взаимодействием (КРВ).

Для того, чтобы осуществить в КРВ более эффективный, чем в обычных клистронах с однозазорными резонаторами обмен энергией между электромагнитным полем резонатора и электронами можно на их пути расположить несколько зазоров, включив последние в общую высокочастотную резонансную систему. Такие резонаторы получили название многозазорных. В зависимости от способа возбуждения резонаторов и схемы включения емкостных зазоров в общую резонансную цепь, напряжения на зазорах могут быть либо синфазными (последовательное включение зазоров), либо противофазными (параллельное включение зазоров).

Однако в МЛК пока многозазорные резонансные системы не нашли широкого применения, так как особенности нелинейных физических процессов в таких системах при отборе энергии от электронного потока исследованы недостаточно. Кроме того, из-за сложного трехмерного характера распределения электромагнитного поля в таких резонаторах и отсутствия аксиальной симметрии их расчет традиционными электродинамическими методами в настоящее время затруднен. В многолучевом КРВ с многозазорными резонаторе существенно возрастает число влияющих параметров, что затрудняет решение задач оперативной оптимизации таких приборов.

Поэтому необходим комплексный подход к решению этой проблемы, требующий дальнейшего совершенствовании традиционных и разработку новых типов многозазорных резонансных систем для мощных однолучевых и многолучевых СВЧ-приборов клистронного типа, улучшения методов их оперативного расчета и оптимизации с применением машинных методов проектирования.

Несмотря на то, что МЛК разрабатываются уже несколько десятков лет, их интенсивное развитие в последние годы свидетельствует о том, что возможности, заложенные в этом направлении далеко не исчерпаны.

Проведенные за последние несколько лет исследования в области миниатюризации СВЧ приборов и создание новых технологий получения автоэмисионных катодов позволяют говорить о преспективности создания нового класса миниатюрных приборов клистронного типа с использованием электронных пушек на основе матриц автоэмиссионных катодов (МАЭК). Однако при разработке таких приборов вновь возникает вопрос о разработке и исследовании нетрадиционных миниатюрных резонаторных систем. Информация о подобных резонансных системах в зарубежной и отечественной печати практически отсутствует, неопределены требования к ним для приборов с матричными автоэмиссионными катодами. Не разработаны методы оценки и математические модели, позволяющие определить уровень эффективности СВЧ-приборов с МАЭК, не выявлены основные закономерности, определяющих предельные значения выходных параметров приборов исследуемого класса при оптимальных параметрах резонаторов и электронного потока. Не проведен сравнительный анализа резонансных систем, пригодных для применения в маломощных приборах с автоэлектронными катодами и в мощных клистронах и клистродах с обычными термокатодами, не известны результаты теоретических и экспериментальных исследований электродинамических свойств резонаторов исследуемого класса.

В соответствии с этим сформулированы основные цели и задачи настоящей работы.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка математических моделей для оперативного расчета и оптимизации основных параметров и характеристик многозазорных резонаторных систем мощных многолучевых клистронов и клистродов, а также миниатюрных электровакуумных приборов этого типа, выполненных на основе матричных автоэмиссионных катодов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

- анализ известных конструкций, методов расчета и оптимального проектирования многозазорных резонаторов с точки зрения целесообразности их применения при создании высокоэффективных однолучевых и многолучевых приборов дециметровой части СВЧ диапазона;

- разработка приближенных аналитических моделей и определение оптимальной взаимосвязи между внешними (выходными) и внутренними параметрами (первеанс, ускоряющее напряжение, число лучей) многолучевого клистрона и параметрами многоканального двухзазорного резонатора с плотным расположением каналов, установленного на выходе этого прибора;

- создание математических моделей для расчета основных параметров четырехзазорных одноканальных и многоканальных резонаторов с неоднородным полем, работающих на противофазном виде колебаний, теоретическое и экспериментальное исследование свойств этих колебательных систем;

- анализ физических процессов отбора энергии в усилительном КРВ с выходным четырехзазорным резонатором с неоднородным полем и определение оптимальных для расширения полосы и повышения КПД значения параметров пространственного заряда и функции распределения поля в области распределенного взаимодействия;

- разработка методики расчета электродинамических параметров миниатюрных многоканальных двухзазорных резонаторов спирального типа для взаимодействия с многолучевым потоком, полученным с помощью МУАЭК, и аналитическая оценка ожидаемых выходных параметров многолучевых клистронов и клистродов с такими системами;

- разработка программного обеспечения для реализации результатов исследований в практику проектирования многолучевых приборов в промышленности и при обучении студентов в ВУЗе.

Методы исследования. Для решения вышеприведенных задач были использованы различные математические модели, описывающие физические процессы в СВЧ приборах клистронного типа (например, дисковая модель электронного потока), и их электродинамических системах (например, эквивалентная схема с полураспределенными параметрами), для решения которых применялись как аналитические, так и численные методы вычислений, а также методы экспериментального исследования, включая метод физического моделирования.

Достоверность полученных результатов. Достоверность теоретических результатов обеспечивается фундаментальностью исходных уравнений и законов, используемых для построения физических моделей, корректностью упрощающих предположений и соответствием результатов расчета экспериментам, а там, где это возможно , данным полученным по другим (более строгим) математическим моделям или путем сравнения с известными экспериментальными данными. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением современной стандартной измерительной аппаратуры.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследования, математические модели и программа расчета могут быть использованы при создании микроэлектронных приборов с матричными автоэмиссионными катодами, обладающих высоким КПД, малыми габаритами и расширенной полосой. Они могут использоваться в качестве СВЧ усилителей, генераторов или умножителей частоты, вместо твердотельных СВЧ приборов, а так же в мощных многолучевых приборах (клистронах, клистродах) с накаленным катодом.

Полученные результаты также могут быть использованы при проектировании многолучевого клистрода с пространственно-развитой резонансной системой, выполненного на основе МАЭК. Его достоинствами будут более высокая эффективность и значительное сокращение требуемой длины, на которой происходит ВЧ взаимодействие, так как в клистроде можно использовать всего два двухзазорных резонатора. Это упростит магнитную фокусировку луча и будет способствовать уменьшению массы такого прибора.

Упрощается технологический процесс создания многолучевых приборов (типа клистрон или клистрод) с МАЭК, за счет выполнения резонансной системы с помощью пленочной технологии в едином технологическом цикле с изготовлением катодных матриц.

Разработан алгоритм и программа расчета на ПЭВМ резонаторных систем и многолучевого клистрона и клистрода с автоэмиссионным катодом. Предложенные алгоритмы и методы расчета РС могут быть использованы при исследовании других типов ПРРС, например с радиальным расположением пролетных каналов.

Научная новизна работы: 1. Для решения задачи синтеза оптимального двухзазорного выходного резонатора МЛК разработаны приближенные математические модели для характеристического сопротивления, коэффициента эффективности взаимодействия и шунтирующей электронной проводимости, не требующие вычисления функций Бесселя и решения сложных трансцендентных уравнений.

2. Найдены оптимальные соотношения между углом пролета между центрами зазоров выходного двухзазорного бессеточного резонатора, работающего на 7г-виде колебаний и параметрами многолучевого электронного потока, обеспечивающие достижение максимальных значений произведения КПД на полосу усиления МЛК

3. Предложены новые конструкции четвертьволновых четырехзазорных резонаторов с неоднородным полем, в которых соотношение амплитуд ВЧ напряжения на двух смежных симметричных двойных зазорах, можно изменять выбором места их включения в общую индуктивную часть резонатора относительно точки короткого замыкания.

4. Исследованы физические процессы отбора энергии в усилительном КРВ с выходным четырехзазорным резонатором с неоднородным полем и найдены оптимальные для расширения полосы и повышения КПД значения параметров пространственного заряда и функции распределения поля в области распределенного взаимодействия.

5. Предложены новые конструктивные схемы многолучевых генераторных КРВ с четырехзазорными резонаторами с неоднородным полем, отличающиеся от классических двухрезонаторных генераторных клистронов высоким КПД (50-60%), большим уровнем выходной мощности (до 3-5 кВт), простотой и малыми габаритами конструкции, а так же возможностью электронной перестройки частоты при отсутствии электронного гистерезиса.

6. Миниатюрный многоканальный двухзазорный резонатор с индуктивной частью в виде плоской спирали выполненной на основе печатной платы, с точки зрения получения высоких электродинамических характеристик, простоты изготовления, малых габаритов и массы, а также стоимости, является, по сравнению с традиционными конструкциями объемных резонаторов, наиболее перспективным типом резонатора для применения в миниатюрных МЛК с матричными автоэмиссионными катодами при уровнях непрерывной выходной мощности до 1 кВт.

7. Разработанная методика расчета электродинамических параметров миниатюрного многоканального двухзазорного резонатора с индуктивной частью в виде плоской спирали, выполненной на основе печатной платы, обеспечивает приемлемые для инженерной практики погрешности расчета резонансной частоты менее 5%, а для характеристического сопротивления не более 10%.

8. Разработанные математические модели, основанные на использовании закона Фаулера-Нордгейма для переменного сигнала с последующим разложением импульса конвекционного тока в ряд Фурье и дальнейшим применением приближенной теории нелинейной теории клистрона позволяют найти необходимые для оценки ожидаемых выходных параметров многолучевого клистрода с матричными автоэмиссионными катодами оптимальные режимы модуляции эмиссии, величины относительного напряжения на выходном резонаторе и его эквивалентного резонансного сопротивления.

Научные положения и результаты выносимые на защиту:

1. Разработанные приближенные математические модели позволяют адекватно определить непосредственную аналитическую связь между "внешними" и "внутренними" параметрами МЛК и МЛКД в функции от безразмерных параметров многоканального двухзазорного резонатора, установленного на выходе этого прибора. Применение полученных моделей позволяет существенно сократить "поле переменных" в процессе оптимального проектирования мощных многолучевых клистронов с термокатодами и миниатюрных СВЧ приборов, выполненных на основе МАЭК.

2. Разработанные методики расчета электродинамических параметров двух-зазорных резонаторов для мощных многолучевых приборов с пространственно-развитыми электронными потоками, а также методика расчета миниатюрных полосковых двухзазорных резонаторов для миниатюрных вакуумных многолучевых СВЧ приборов с матричными автоэмиссионными катодами обеспечивают приемлемые для инженерной практики погрешности расчета.

3. Повышения уровня комплекса энергетических и массогабаритных параметров однолучевых и многолучевых приборов клистронного типа, работающих в длинноволновой части диапазона СВЧ можно достигнуть за счет применения четырехзазорных резонаторов с участками распределенного взаимодействия, имеющими различный высокочастотный потенциал, определяемый местом включения емкостного зазора в высокочастотную цепь относительно точки короткого замыкания.

4. В клистронах с выходным четырехзазорным резонатором с неоднородным полем можно реализовать, используя разные формы поля в области взаимодействия, либо режим широкополосного усиления, либо узкополосный режим с численными значениями электронного КПД и полосы, превышающими соответствующие значения для двухзазорного и четырехзазорного резонатора с однородным полем

Апробация работы. Результаты работы представлялись на:

1. международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Саратов, 1996, 1998 гг.;

2. XXII Всесоюзной научной сессии, посвященной дню Радио, Москва, 1997;

3. втором рабочем семинаре "Saratov-Penza Chapter", Саратов, 1998 г.;

17

1. IV Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", Таганрог, 1998 г.;

2. на заседаниях кафедры "Электронные приборы и устройства" и ежегодных научно - технических конференциях СГТУ в 1995-1999 г.г.

Часть работы выполнялась в рамках госбюджетной НИР по проблеме 05В.03 (СГТУ-192).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из списка принятых условных обозначений, введения, четырех глав, заключения,списка использованной литературы и приложения. Ее объем 168 стр, 48 рисунков, 12 таблиц, 67 наименований цитируемых источников, из которых 10 - публикации автора диссертации.

Основные результаты и выводы

1. Проведен анализ известных конструкций, методов расчета и оптимального проектирования многозазорных резонаторов и дана оценка целесообразности их применения при создании высокоэффективных однолучевых и многолучевых приборов дециметровой части СВЧ диапазона.

2. Разработаны приближенные аналитические модели для определения оптимальной взаимосвязи между внешними и внутренними параметрами многолучевого клистрона и параметрами многоканального двухзазорного резонатора с плотным расположением каналов, установленного на выходе этого прибора. На основе этих моделей создана простая оперативная программа оптимизации, позволяющая, в зависимости от постановки задачи, в качестве функции цели использовать либо максимально достижимые значения отдельных заданных выходных параметров относительной полосы усиления -ДСТо или электронного КПД - т]е, либо их произведения. Ее применение целесообразно на начальном этапе проектирования , после чего необходимо уточнение оптимальных параметров прибора с применением других программ, основанных на использовании более строгих численных моделей. Это позволяет существенно уменьшить время на проектирование многолучевых клистронов.

3. Предложены новые конструкции четвертьволновых четырехзазорных резонаторов с неоднородным полем, в которых отношение амплитуд ВЧ напряжения на двух смежных симметричных двойных зазорах, можно изменять путем выбора места их включения в общую индуктивную часть резонатора относительно точки короткого замыкания.

4. Впервые исследованы физические процессы отбора энергии в усилительном клистроне с выходным четырехзазорным резонатором с неоднородным полем и найдены оптимальные для расширения полосы и повышения КПД значения параметров пространственного заряда и функции распределения поля в области взаимодействия.

5. Предложены новые конструктивные схемы многолучевых генераторных клистронов с четырехзазорными резонаторами с неоднородным полем, отличающиеся от классических двухрезонаторных генераторных клистронов высоким КПД (50-60%), большим уровнем выходной мощности (до 3-5 кВт), простотой и малыми габаритами конструкции.

6. Предложен миниатюрный многоканальный двухзазорный металлокерамиче-ский резонатор с индуктивной частью в виде плоской спирали, выполненной на основе печатной платы, который, с точки зрения получения высоких электродинамических характеристик, простоты изготовления, малых габаритов и массы, является, по сравнению с традиционными конструкциями резонаторов, более перспективным типом резонатора для применения в МЛК с МАЭК при уровнях непрерывной выходной мощности до 1 кВт.

7. Разработана методика расчета электродинамических параметров миниатюрного многоканального двухзазорного резонатора с индуктивной частью в виде плоской спирали, выполненной на основе печатной платы, обеспечивающая приемлемые для инженерной практики погрешности расчета резонансной частоты и характеристического сопротивления .

8. Осуществлена оценка ожидаемых на современном техническом уровне выходных параметров многолучевых клистронов и клистродов с электронными пушками, выполненными на основе матричных углеродных автоэмиссионных катодов с групповым расположением острий под отверстиями крупноячеистой управляющей сетки из пиролитического графита.

9. разработано программное обеспечение для реализации результатов исследований в практику проектирования многолучевых приборов в промышленности и при обучении студентов в ВУЗе.

1. А.с. 72756 СССР, кл. 21. Электронная лампа клистронного типа / В.Ф. Коваленко. 1940.

2. Пат. 992853 Франция. Многолучевой прибор. Опубл. 1944.

3. Пат. 15556 СССР. Многорезонаторный клистрон / С.А.Зусмановский. 1955.

4. А.с. 16569 СССР. Многорядная замедляющая система для широкополосных мм- и субмм-приборов / А.А. Негирев, А.С. Победоносцев, А.С. Тагер и др. Приоритет от 4 сентября 1956.

5. The multiple-beam klystron / M.R. Boyd, R.A. Dehn, J.S. Hickey, T.G. Mihran // IRE Trans.- 1962. Vol.ED-9, No 3. P.247.

6. Pohl W.Y. The design and demonstration of wide-band multiple-beam travelling-wave klystrons // IEEE Trans. 1965. Vol.ED-12, No 6. - P.351.

7. Law L. High-power microwave tubes // Proc. of the IEEE/ 1973.-Vol/ 61, No 3.-P.279-381.

8. Борисов Л.М., Гельвич Э.А., Жарый E.B., Закурдаев А.Д. и др. Мощные многолучевые электровакуумные усилители СВЧ // Эл. техника, сер. СВЧ-техника, 1993, N3, с. 12-20.

9. Хайков А.З. Клистронные усилители.-М.: Связь, 1974.-397 с.

10. Гельвич Э.А., Лопин М.И. СВЧ-усилители средней и большой мощности нового поколения / Радиотехника, №4, 1999г, с. 18-31.

11. П.Григорьев А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ: Численные методы расчета и проектирования.-М.:Радио и связь, 1984.-C.23-26.

12. Fuiisawa К. General treatment of klystron rezonant cavities.- IRE Trans., 1958,v. MTT-6,N 4,p.344.

13. Кукарин C.B. Электронные СВЧ приборы.- M.: радио и связь, 1981. С.117-118.

14. Голубев С.Н., Лошакова И.И., Царев В.А.Многорезонаторный пролетный усилительный клистрон//Учеб. пособие для вузов.- Саратов, СПИ, 1984.

15. Линде Д.П. Основы расчета ламповых генераторов СВЧ.-М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1968.-431 с.

16. Мощные электровакуумные приборы СВЧ./ Под ред. Л. Клемпитта, пер. с англ.,-М.:,1974, 134 с.

17. Воинов Б.С. Широкодиапазонные колебательные системы СВЧ. М., Изд-во "Сов. радио", 1973.

18. Голубев С.Р., Попов А.Ф. Электронный КПД двухрезонаторного клистрона с двухзазорным выходным резонатором. / Электронная техника, сер. Электроника СВЧ, 1978 г., С. 64-69.

19. Канавец В.И. и др. Мощные многорезонаторные клистроны с высоким КПД / Электронная техника, сер. Электроника СВЧ, 1976 г., С. 34-44.

20. Кацман Ю.А., Мовнин С.И. К расчету коэффициента взаимодействия и электронной проводимости для резонаторов с двумя зазорами // Радиотехника и электроника. 1966. Т. 11.-№12.-с.2252-2254.

21. Сандалов А.Н. Численное моделирование физических процессов в мощных приборах сверхвысоких частот // Генераторы и усилители на релятивистских электронных потоках. Матер, докл. Всесоюзн. семинара. М., январь 1984.

22. Андрушкевич B.C., Вырский В.А., Гамаюнов Ю.Г., Шевчик В.Н. Усилительные клистроны с распределенным взаимодействием. Изд-во Саратовского университета, 1977.

23. Григорьев А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ: Численные методы расчета и проектирования.-М.:Радио и связь, 1984.-С.23-26.

24. Коаксиальный многозазорный резонатор пролетного клистрона. А.С.Ж307441. Опубл. в БИ 21.06.1971, Бюлл.№20.

25. Кацман Ю.А. Вопросы теории многорезонаторных клистронов // Связьиздат, 1958.

26. Бесов Ю.Р., Бобровский Ю.Л., Ковалева Д.И., Минеев О.В. Об оптимальной структуре клистронов с распределенным взаимодействием // Электронная техника. Электровакуумные и газоразрядные приборы.-1992.-Вып.З (138). -С.14-17.

27. Гассанов Л.Г., Клушин A.A., Крахмалов A.M. Исследование возможности повышения КПД пролетных генераторных клистронов при оптимизации параметров неоднородной резонансной структуры // "Электронная техника", сер. "Электроника СВЧ", 1974, № 5, с.52-54.

28. Вайман A.B., Майорова М.В., Мирошниченко А.Ю., Царев В. А. Многолучевые клистроды для нового поколения телевизионных передатчиков / Электронная промышленность, №4, 1999 г. С.8.

29. Вайман A.B., Майорова М.В., Царев В.А. Моделирование электродинамических характеристик многоканальных пространственно-развитых СВЧ резонаторов // XXII Всесоюзн. научн. сессия, посвящ. дню Радио: Тез. докл., 4.1. -М.: Радио и связь, 1997. -С.112.

30. Кочетова В.А. и др. "Радиотехника и электроника", 1981, т.26, в.1, с.132-145.

31. Орлов С.И.Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов.-М.: Сов.радио, 1970.- 256 с.

32. Проектирование радиопередающих устройств. Под ред. В.В. Шахгильдяна. Учебное пособие для вузов. М., "Связь", 1976.

33. Вольман В.И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройствам.:"Радио и связь", 1982.

34. Хаби B.C. Измерение характеристического сопротивления резонатора с бессеточным зазором // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ.-1971.- Вып. З.-С. 138 140.

35. Родякин В.Е.,Сандалов А.Н. Комплекс программ анализа динамики электронных потоков в клистроне // Вопросы электронной техники: Межвуз. научный сборник .Сарат.политехн.ин-т, 1988.-С. 26-33.

36. Кучугурный В.И., Лебединский C.B., Малыхин A.B., Петров Д.М. // КПД и полоса усиления клистрона.- В кн.: Лекции по электронике СВЧ и радиофизике.Кн.1.- Саратов:СГУ, 1983,- С. 211.

37. Алабужев П.М., Геронимус В.Б., Минкевич JIM., Шеховцев В.А. Теория подобия и размерностей. Моделирование. М.:,Высшая школа,- 1968 .- 350 с.

38. Гайдук В.И., Палатов К.И, Петров Д.М. Физические основы электроники сверхвысоких частот. М. Изд-во "Советское радио", 1971.-С.450-454.

39. А.с.№ 830948 А СССР. Клистрон / Еремка В. И. Опубл. В БИ 14.03.84, № 2.

40. A.c. № 368673 СССР. Усилительный клистрон / Пасманник В.И., Назаров С.Н., Мельников Ю.И., Кисилев-Дмитриев М.В. Опубл. в БИ 26.01.73, Бюлл.№9.

41. Голант М.Б. Бобровский Ю.Л. Генераторы СВЧ малой мощности. Вопросы оптимизации параметров. М.: Сов.радио, 1977. 336 с.

42. Клеен В. Введение в электронику сверхвысоких частот.М.: Сов. Радио, 1963,- С.227-231.

43. Григорьев Ю.А. Матричные углеродные автоэмиссионные катоды -экспериментальные результаты и перспективы применения в приборах СВЧ// Лекции по СВЧ электронике и радиофизике, 10 зимняя школа-семинар,Саратов, 1996 г. кн. 1,ч.2,С. 143.

44. Dyke W.P. Field emission, a newly practical electron source // IRE Trans, on Military Electronics. 1960. Vol.4, N l.P. 38-45.

45. Шарбонье Ф.М., Барбур Дж.Р., Гаррет Л.Ф., Дайк В.П. Исследование природы и прикладных свойств холодной эмиссии на СВЧ // ТИИЭР. 1963. Т.51, N 7. С. 989-1004.

46. Трубецков Д.И., Рожнев А.Г., Соколов Д.В. Лекции по сверхвысокочастотной вакуумной микроэлектронике// Саратов: Изд-во ГосУНЦ "Колледж",1996.238 с.

47. Fontana J.r., Shaw H.J. Harmonic generation at microwave frequencies using field-emission cathodes // Proc. IRE. 1958.Vol 46 (july). P. 1424-1425.

48. Пат. 1723944 RU МКП HOI J 25/12. Клистрон / В.А. Царев, В.М. Клокотов, Р.Н.Фисенко; СГТУ (РФ).

49. Ганстон М.А.Р. Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ .Пер. с англ. /Под ред. А.З. Фрадкина. М.: Связь, 1976,- 152 с.

50. Gish D.L., Graham D. Characteristic impedance and phase velosity of a dielectric-supperted air-strip transmission line with side walls. Trans. IEEE, MTT-18, 3, p 131-156, 1970.

51. Мейнке X, Гундлах Ф.В. Радиотехнический справочник.- T.l. М.: M-JI, МЭИ,I960.- 250 с.

52. Клокотов В.М., Фисенко Р.Н., Царев В.А. Электродинамические характеристики клистронных резонаторов, выполненных на основе полосковой линии / Тезисы докл. XL VI Всесоюзн. науч. сессии, посвященной дню Радио. М.: Радио и связь, 1991. С. 181.

53. Расчет электрической емкости / Ю.Я. Иоссель, Э.С. Кочанов, М.Г. Струнский.-JI.: Энергоиздат. Ленингр.отд-ние, 1981.-288 с.

54. Пат.2037903 RU МКП HOI J 23/18. Резонатор для несинусоидального периодического сигнала / В.М.Клокотов ,В.А. Царев, В.И.Ширшин; СГТУ (РФ). Опубл. в Бюл-N 17 19.06.95 г.

55. Grigoriev J.A., Shestyorcin V.l. Tehnical Digest of IVMC'94 Grenoble, France, 1994, pp. 271-273.

56. Родякин В.Е.,Сандалов A.H. Комплекс программ анализа динамики электронных потоков в клистроне // Вопросы электронной техники: Межвуз. научный сборник .Сарат.политехн.ин-т, 1988.-С. 26-33.

57. Майорова М.В., Царев В.А. Аналитический расчет клистрода с матричными автоэмиссионными катодами // Межвуз. научн. сб. "Функциональные электродинамические системы и устройства, линии передачи СВЧ", Сарат. гос. техн. ун-т., Саратов 1999. с.90-95.