автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Повышение эффективности многолучевых микроволновых генераторов с многозазорными резонаторами

005045623

На правах рукописи

АКАФЬЕВА Наталья Александровна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОЛУЧЕВЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С МНОГОЗАЗОРНЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 7 ИЮгі 2012

Саратов 2012

005045623

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Царев Владислав Алексеевич

Официальные оппоненты: Фурсаев Михаил Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор по кафедре «Электротехника и электроника»

Архипов Данила Алексеевич, кандидат технических наук, начальник тематического отдела НПЦ «Электронные системы» ОАО «НПП «Алмаз» ( г. Саратов)

Ведущая организация: СФ ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН

(г. Саратов)

Защита состоится «20» июня 2012 г. в 13:00 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, Саратовский государственный технический университет, корп. 2, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Автореферат разослан « »мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Димитрюк A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из актуальных проблем современной вакуумной СВЧ-электроники является создание высокоэффективных, малогабаритных и простых по конструкции источников СВЧ-энергии малых, средних и высоких уровней мощности, работающих в разных частотных диапазонах. Такие устройства могут найти применение в радиолокации, ускорительной технике, в радиоаппаратуре космического базирования (например, в системах передачи солнечной энергии на Землю), в наземных системах передачи энергии СВЧ на расстояние, а также в установках промышленного нагрева. Существующие генераторные СВЧ-приборы среднего и большого уровней выходной мощности с термоэмиссионными катодами имеют большие углы пролета через пространство взаимодействия, например, ЛБВ, многорезонаторный клистрон и их гибриды. Поэтому они не в полной мере удовлетворяют современным требованиям из-за больших массы и габаритов. Магнетронные генераторы большой мощности имеют ограниченный срок службы.

В связи с этим в последнее время, благодаря работам многих отечественных ученых (Д.И. Трубецкова, В.П. Панова, В.А. Солнцева, В.К. Федяева, A.B. Галдецкого и др.), а также зарубежных ученых (JJ. Barroso, K.G. Kostov и др.), значительно возрос интерес к приборам СВЧ, имеющим средние углы пролета через электродинамическую систему, таким как монотрон, генератор тормозящего поля (ГТП), отражательный клистрон, низковольтный виркатор, клистрод. Однако в однолучевом исполнении и при использовании классических однозазорных резонаторов эти приборы обладают такими недостатками, как низкий КПД (1-5%) и малый уровень выходной мощности. Исключение составляет лишь клистрод, позволяющий получить большой уровень выходной мощности при высоком КПД (60-70%). Однако верхняя частотная граница применения клистродов пока не превышает 1.3 ГГц.

Поэтому актуальными проблемами при создании высокоэффективных СВЧ-приборов со средними углами пролета являются повышение КПД, увеличение выходной мощности, а также расширение диапазона рабочих частот. Этого можно достигнуть за счет перехода от однозазорных резонаторов к многозазорным, а также за счет применения пространственно-развитых электронно-оптических систем (с многолучевыми, ленточными и полыми электронными потоками). Для создания новых приборов, работающих в коротковолновой части микроволнового диапазона, целесообразен переход от термоэмиссионных источников электронов к автоэмиссионным с усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии.

Разработка таких приборов является следствием появления новых запросов практики, которые требуют выхода за пределы полученных

знаний, так как до настоящего времени многолучевые приборы с резонаторами распределенного взаимодействия, такие как монотроны, отражательные клистроны, низковольтные виркаторы, мало исследованы, как теоретически, так и экспериментально.

Актуальность настоящей работы в научном аспекте определяется тем, что электродинамические характеристики многоканальных многозазорных резонаторных систем (РС) недостаточно исследованы: не изучены особенности взаимодействия пространственно-развитых электронных потоков с РС; не найдены оптимальные условия взаимодействия, требуемые для получения высокого электронного КПД; не изучено влияние электродинамических характеристик РС на выходные характеристики резонансных автогенераторов с распределенным взаимодействием при работе с термо- и автоэмиссионными катодами в различных частях микроволнового диапазона.

Актуальность темы в прикладном аспекте определяется тем, что создание новых малогабаритных, высокоэффективных источников СВЧ-энергии требует новых конструктивных решений как прибора в целом, так и отдельных его узлов; новые знания, полученные в диссертационной работе, будут использованы в учебных программах по специальности «Электронные приборы и устройства» и направлению «Электроника и наноэлектроника».

Целью диссертационной работы является исследование физических процессов обмена энергией между электронным потоком и ВЧ электрическим полем в простых по принципу взаимодействия и конструкции мощных многолучевых СВЧ-генераторах с многозазорными резонаторами и источниками тока на основе термо- и автоэмиссионных катодов; нахождение оптимальных параметров, обеспечивающих наибольший электронный КПД и выходную мощность в разных частотных диапазонах.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- проведение аналитического обзора современного состояния исследований в области разработок мощных генераторов СВЧ для разных практических приложений;

- разработка методики численно-аналитического моделирования электродинамических характеристик многозазорных резонансных систем монотронов (и других многолучевых приборов со средними углами пролета) с учетом особенностей взаимодействия электронов с ВЧ-полем при одновременном возбуждении РС на противофазном и высшем синфазных типах колебаний;

- численное моделирование нелинейной динамики электронного потока в многозазорных резонансных системах монотронов с

неоднородным распределением ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия с учетом поля объемного заряда;

- получение рекомендаций по выбору параметров и конструкции резонансных систем, а также параметров электронного потока, обеспечивающих максимальный электронный КПД мощных монотронных генераторов с трех- и четырехзазорными резонаторами при работе в длинноволновом и в средневолновом диапазонах длин волн;

- выработка рекомендаций, необходимых для создания электронно-оптических систем многолучевых генераторов и выбора основных элементов конструкций новых автогенераторов СВЧ с термо- и автоэмиссионными катодами.

Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:

1. Найдены необходимые для получения высокого электронного КПД функции распределения ВЧ электрического поля в многолучевых монотронах; и предложены конструкции многозазорных резонансных систем, реализующие найденные закономерности.

2. Установлено, что на частоте 2450 МГц максимальный электронный КПД (около 50%) многолучевого монотрона с трехзазорным резонатором на 2я-виде колебаний достигается на второй зоне генерации (при равных длинах зазоров и втулок и нарастающей по ходу движения электронов амплитуды ВЧ-поля) для режимов, соответствующих областям углов пролета с максимальным отрицательным значением электронной шунтирующей проводимости.

3. Показано, что максимальный электронный КПД (до 57%) на частоте 2450 МГц в четырехзазорном резонаторе с оптимальным распределением поля на 2л-виде колебаний при равных длинах зазоров и втулок достигается на третьей зоне генерации, соответствующей области с максимальным отрицательным значением электронной шунтирующей проводимости.

4. Показано, что в многолучевом монотроне с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на частоте 430 МГц на л-виде колебаний (при оптимальном распределении ВЧ электрического поля в зазорах), может быть достигнут электронный КПД до 55% (при подводимой мощности до 5-6 кВт и микропервеансе не более 0,3 мкА/Взл) при более низких ускоряющих напряжениях по сравнению с режимом на 2л-виде колебаний.

5. Экспериментально подтверждено, что в модифицированной схеме ГТП с двухзазорным резонатором, возбуждаемым на кратных резонансных частотах (при несинусоидальной скоростной модуляции), электронный КПД может достигать 30%, что примерно в 10 раз больше, чем в обычном отражательном клистроне. Этот режим может быть использован для построения простых по конструкции и малогабаритных многолучевых

генераторов и умножителей частоты с термо- и автоэмиссионными катодами и электронной перестройкой частоты.

6. Экспериментально установлено, что в предложенной схеме низковольтного виркатора при работе в классе «В» можно получить (в отличие от классической схемы отражательного клистрона) на 30% более высокий электронный КПД. Это достигается за счет предварительной модуляции электронного потока по плотности в области первого виртуального катода и её дальнейшего усиления в области второго виртуального катода.

Достоверность полученных результатов обеспечивается построением адекватных математических моделей на основе фундаментальных исходных уравнений вакуумной СВЧ-электроники и законов электродинамики, корректностью упрощающих предположений, соответствием результатов расчета и решений тестовых задач, а также соответствием расчетных и экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной аппаратуры.

Практическая значимость состоит в следующем:

1. Получены рекомендации для выбора оптимальных параметров многозазорных резонаторов многолучевых монотронов:

- для трехзазорного резонатора при синфазном возбуждении, работающего на частоте 2.45 ГГц с выходной непрерывной мощностью 40 кВт и электронным КПД 49%;

- для четырехзазорного резонатора при синфазном возбуждении, работающего на частоте 2.45 ГГц с выходной непрерывной мощностью 50 кВт и электронным КПД 57%;

- для четырехзазорного резонатора при противофазном возбуждении, работающего на частоте 430 МГц с выходной непрерывной мощностью 5 кВт и электронным КПД 55%.

2. Получены рекомендации для выбора параметров режимов работы (первеанс одного луча и величины ускоряющего напряжения), необходимые для самовозбуждения генераторов на многозазорных резонаторах с минимальным пусковым током.

3. На основе предложенных конструктивных схем построения автогенераторов с несинусоидальной скоростной модуляцией и автоэмиссионными катодами (с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии с отражательного электрода, введенного в объем двухзазорного резонатора), могут быть созданы новые типы многолучевых малогабаритных генераторов, перспективные для работы в коротковолновой части микроволнового диапазона.

4. Выполнено проектирование 14-лучевого четырехзазорного монотронного генератора на выходную мощность 50 кВт с электронным КПД 57 % на длине волны 12.24 см с ускоряющим напряжением 13.3 кВ и общим током 6.16 А.

Реализация результатов работы

Результаты работы и практические рекомендации по проектированию многолучевого генератора монотронного типа переданы в ОАО «НПП «Контакт» (г. Саратов) для изготовления опытных образцов 14-лучевого четырехзазорного монотронного генератора. Результаты используются в учебном процессе на кафедре «Электронные приборы и устройства» СГТУ им. Гагарина Ю.А. при чтении лекционных курсов в рамках дисциплин «Микроволновые приборы и устройства», «Новые типы электровакуумных приборов», а также при курсовом и дипломном проектировании бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».

Материалы, приведенные в работе, использованы при выполнении НИОКР по теме «Разработка основных принципов построения нового типа прибора - мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором», выполненной в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.), 2009 г., гос. per. № 01200952472.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Предложенные конструкции электродинамических систем многолучевых монотронов, выполненных на основе трех- и четырехзазорных многоканальных резонаторов, обеспечивают (на 2я-виде колебаний) требуемые для достижения высокого электронного КПД электродинамические параметры и нарастающее распределение ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия.

2. Максимальные значения электронного КПД и выходной мощности многолучевых монотронов с трех- и четырехзазорными резонаторами на 2л-виде колебаний достигаются при относительных амплитудах ВЧ-напряжения на резонаторе, не превышающих значения 2, соответственно, при углах пролета 4.3л и 5.8я.

3. На основе предложенных конструктивных схем построения автогенераторов с несинусоидальной скоростной модуляцией и матричными автоэмиссионными катодами с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии и введения отражательного электрода в объем резонатора, могут быть созданы новые типы высокоэффективных многолучевых малогабаритных генераторов для коротковолновой части микроволнового диапазона длин волн.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5 конференциях: Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2006, 2008, 2010); XXI Международной научной конференции

«Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009); научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2009); Международной научно-технической конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина, 2011).

Получено положительное решение на выдачу патента на изобретение: В.А. Царев, H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко «СВЧ-генератор с матричным автоэмиссионным катодом с отражением электронного потока», заявка №2011104833 от 09.02.2011, решение о выдаче патента 21.02.2012.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них две статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получено положительное решение на выдачу патента на изобретение. Заявка на изобретение: H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев «Мощный СВЧ-генератор монотронного типа» № 2011133860 от 11.08.2011 проходит экспертизу по существу.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 137 страниц, включая 4 таблицы, 98 рисунков, 46 формул, список использованной литературы состоит из 68 наименований.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты всех расчётов получены автором самостоятельно, кроме того, в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов и формулировке выводов, составляющих основу публикаций.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы: обосновывается актуальность проведённых исследований, сформулированы научная новизна и практическая значимость результатов, указаны апробация и публикации основных результатов, перечень основных положений, выносимых на защиту диссертации.

Первая глава представляет собой обзор литературы современного состояния в области разработок мощных СВЧ-генераторов со средним углом пролета через пространство взаимодействия. Для разных практических приложений анализируются возможности создания на новой конструктивной базе (многолучевые электронно-оптические системы, резонаторы распределенного взаимодействия) различных типов классических приборов: монотронов, отражательных клистронов,

виркаторов, ГТП. Отмечается связь параметров резонаторов с выходными параметрами приборов для различных частотных диапазонов.

Наибольший практический интерес, например, для СВЧ-нагрева и передачи энергии на расстояние, представляет создание мощных монотронных генераторов с выходной мощностью от 5 до 50 кВт и электронным КПД не менее 50%.

Обзор литературы показывает, что ранее исследовались только конструкции пролетных многолучевых монотронов с двухзазорной электродинамической системой с неоднородным полем в пространстве взаимодействия. Для создания более эффективных многолучевых монотронов (с КПД более 50%) требуется переход к конструкциям с использованием трех- и четырехзазорных резонаторов с неоднородным полем. Однако для таких систем не исследованы условия самовозбуждения на синфазном и противофазном видах колебаний; не найдены оптимальные параметры нелинейного взаимодействия электронного потока с ВЧ электрическим полем.

Отсутствуют рекомендации по выбору оптимальных конструкций резонаторов и режимов работы для улучшения выходных характеристик СВЧ-приборов с автоэмиссионными источниками электронов с отражением электронного потока, таких как низковольтный виркатор, ГТП, отражательный клистрон. В коротковолновой части микроволнового диапазона не исследованы режимы работы, обеспечивающие получение от таких генераторов повышенной выходной мощности и электронного КПД. По результатам проведенного анализа сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке методики численно-аналитического моделирования электродинамических характеристик многозазорных резонансных систем монотронов и других многолучевых приборов со средними углами пролета, при работе на противофазном и высшем синфазных типах колебаний.

Электродинамические системы многолучевых монотронов с высоким электронным КПД, выполненные на основе трех- и четырехзазорных резонаторов, должны обеспечивать оптимальное распределение ВЧ электрического поля, при котором амплитуда этого поля в начальной области взаимодействия резонатора (входной зазор) должна быть значительно меньше напряженности поля в области отбора энергии (выходной зазор) от электронного пучка.

Для определения электродинамических параметров

рассматриваемых резонансных систем, таких как резонансная частота /, характеристическое сопротивление р, собственная добротность £?о> использовались как аналитические, так и численные методы (метод эквивалентных длинных линий, нагруженных на емкости зазоров), а также (там, где это необходимо) 2Б- и ЗБ- методы моделирования.

9

При выборе конструкции резонансных систем ориентировались:

- на реализацию неоднородного распределения электрического поля в электродинамической системе;

- на хорошее разделение частот рабочего и высших видов колебаний, чтобы исключить срыв генерации;

-на получение повышенного характеристического сопротивления и добротности.

В процессе выполнения работы были предложены следующие конструкции электродинамических систем, соответствующие указанным выше требованиям: трех- и четырехзазорный резонаторы на синфазном виде колебаний с распределением поля на зазорах, близким к трех- и четырехрезонаторным клистронам (рис. 1-2), а также четырехзазорный резонатор на противофазном виде колебаний (рис. 3).

Представленная на рис. 1,а конструкция резонансной системы PC имеет следующие параметры: частота 2450 МГц, рабочий вид - синфазный высший вид колебаний, характеристическое сопротивление - 51 Ом, собственная добротность - 3736, h/À =0.76, число каналов - 14, диаметр канала - 3 мм, радиус S =25.5 мм.

Рис. 1. а — конструкция четырнадцатилучевого трехзазорного резонатора, возбуждаемого на синфазном виде колебаний, с картиной распределения силовых линий напряженности ВЧ электрического поля;

б - распределение ВЧ электрического поля по длине резонатора

Представленная на рис. 2,а конструкция четырехзазорного резонатора имеет следующие параметры: частота 2450 МГц, рабочий вид - синфазный высший вид колебаний, характеристическое сопротивление - 83 Ом, собственная добротность - 3741, Ш =1.037, число лучей - 14, диаметр канала - 3 мм, радиус S =25.5 мм.

Рис. 2. а - конструкция четырнадцатилучевого четырехзазорного резонатора, возбуждаемого на синфазном виде колебаний, с картиной распределения силовых линий напряженности ВЧ электрического поля; б - распределение ВЧ электрического поля по длине резонатора

Показанная на рис. 3,а конструкция РС имеет следующие параметры: частота 430 МГц, рабочий вид - противофазный вид колебаний, характеристическое сопротивление - 17.85 Ом, собственная добротность -1492, Ш =0.154.

Рис. 3. а - конструкция четырехзазорного резонатора с полым электронным потоком, возбуждаемого на противофазном виде колебаний, с картиной распределения силовых линий напряженности ВЧ электрического поля; б - распределение ВЧ электрического поля

Четырехзазорный резонатор, возбуждаемый на противофазном виде колебаний, с частотой 430 МГц имеет более короткие длины пространства взаимодействия и может быть использован в дециметровом диапазоне.

Для продвижения в коротковолновую часть микроволнового диапазона целесообразно рассмотреть возможность применения других

типов генераторов с распределенным характером взаимодеиствия, например, таких как ГТП с автоэмиссионными катодами.

Для такого прибора впервые была исследована возможность применения двухзазорного 19-канального резонатора с кратными частотами при диаметре одного канала 2я=0.84 мм. Основной резонансной модой в такой РС является противофазный ТЕМ-вид колебаний, возбуждаемый в четвертьволновой полосковой резонансной линии, нагруженной на емкость двойного зазора. Внешний диаметр пролетной трубы Оп определяется из соотношения

1 +

А

^<0.3,

-

(1)

количество

Д„ _ 2■а

К ~ К V 3 ) ' 1С

где Лс - длина волны синфазного вида колебаний; пролетных каналов.

Синфазный (Еою) вид колебаний является в данной конструкции резонатора высшим типом колебаний. Частота этого вида колебаний зависит от диаметра резонатора и его высоты. При высоте резонатора Н=22 мм достигается кратность частот, равная двум (Яп/Лс=2, где Яп-длина волны противофазного вида колебаний, ^=12.24 см).

На рис. 4, 5 приведена конструкция двухзазорного резонатора ГТП.

~ 1 ~

гета-івшющ ад

Рис. 4. Конструкция двухзазорного резонатора ГТП с МАЭК: 1 - каналы для электронного потока; 2 - центральная пролетная труба; 3 - отражатель; 4 - блокировочная емкость

Рис. 5. Распределение ВЧ электрического поля в двухзазорном резонаторе ГТП с МАЭК: а — с противофазным; б — с синфазным видами колебаний

Как показывают результаты эксперимента, приведенные в главе 3, использование двухзазорного резонатора, настроенного одновременно на две частоты, позволяет повысить электронный КПД ГТП до 30 % за счёт несинусоидальной модуляции электронного потока.

В третьей главе приведены результаты численно-аналитического моделирования многолучевых монотронных автогенераторов с многозазорными резонаторами.

На начальном этапе для исследуемых электродинамических структур были определены зависимости нелинейных значений коэффициента электронного взаимодействия - М, активной составляющей проводимости электронной нагрузки - Се, от изменения невозмущенного угла пролета -пространства взаимодействия в

у и ' к 250 17.5

(3)

д = у\М + {Ы- 1)Ь), (2)

где у - постоянная распространения {у-со!Уа, со - круговая частота, У„-скорость электронного потока); N - количество зазоров; с/ - расстояние между торцами пролетных труб (длина зазора); Ь - длина втулки.

Методика расчета в нелинейном режиме электронных параметров резонатора, таких как коэффициент эффективности взаимодействия М и активная составляющая проводимости электронной нагрузки (?е,

представлена ниже.

Для вычисления М бессеточного одиночного зазора с погрешностью не более 1% использовалось аппроксимирующее выражение, не содержащее функции Бесселя:

"0.0050« • Ь/аУ + 0.1250« -Ь/а)2+\~ 0.0150«)4 +0.2530«)2 +1 где а - внутренний радиус пролетной трубы; Ъ -радиус электронного потока.

Далее рассчитывался угол пролета ©эга для эквивалентного зазора с сетками, при условии, что коэффициент электронного взаимодействия этого зазора равен коэффициенту взаимодействия зазора без сеток М.

* 6,943л/і — М1'2 (4)

С учетом того, что в нелинейном режиме М и Є/Єо зависят от коэффициента использования напряжения на зазоре резонатора -(¿¡,ч=из,/и0, где N -номер зазора, и,м -напряжение на соответствующем зазоре), по заданным & определялись нелинейные значения коэффициента взаимодействия по следующей приближенной

формуле:

М„(§„) « (0.0207(©зю )2 -1)2 ехр (- 0.2^2). (5)

По усредненной величине М^ц) по количеству зазоров - Мср определялся угол пролета эквивалентного сеточного зазора в нелинейном

режиме _

©„ « 6,943^1-М,7,"2 . (6)

С использованием значений углов пролета, вычисленных по (6), определялась величина нелинейного коэффициента взаимодействия многозазорного резонатора Мнел, возбуждаемого на синфазном или противофазном видах колебаний

ж, _ ' *_~_

^нелсинф ~~ І уі 1 ^ '

Л^іп( "2 Г ) N

м =5ш(0т/2)--2-_ (8)

нел протпвоф /*) (ті + "А,

/ )

Относительная активная составляющая электронной проводимости в нелинейном режиме вычислялась по известной формуле

М..

сЛЭ„,

(9)

Проведенные аналитические расчеты электронных параметров, результаты которых показаны на рис. 6, 7, показывают, что с увеличением числа зазоров максимальное значение относительной электронной проводимости по модулю возрастает. Следовательно, облегчаются условия самовозбуждения генератора.

Рис. 6. Зависимость относительной активной составляющей электронной проводимости (Се1<е_-/Со) от угла пролета для разного числа зазоров в монотронах с резонаторами, возбуждаемыми на 2л-виде колебаний: 1 - двухзазорный; 2 - трехзазорный; 3 - четырехзазорный

Рис. 7. Зависимости коэффициента взаимодействия {Мнепа1иф)- 1 и относительной электронной проводимости {Сеиел/С0) - 2, от ускоряющего напряжения для оптимального распределения поля в трех - ( — —) и четырехзазорных ( ) резонаторах

Полученные результаты служили исходными данными для дальнейшего численного моделирования нелинейной динамики электронного потока в многозазорных резонансных системах монотронов с неоднородным распределением ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия с учетом поля объемного заряда с помощью дисковой модели клистрона.

На рис. 8 представлены результаты численных расчетов зависимостей относительной амплитуды первой гармоники конвекционного тока (/1тах//0) и электронного КПД от ускоряющего напряжения в монотронах с трех- и четырехзазорными резонаторами для режимов работы, соответствующих максимальным значениям отрицательной электронной проводимости.

Результаты численных экспериментов (рис. 1,6 и 2,6) показывают, что для оптимально нарастающей функции распределения ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия для трех- и четырехзазорных резонаторов, работающих на 2л-виде колебаний,

максимумы относительной амплитуды первой гармоники конвекционного тока 1.61 и 1.67 достигаются при £ = 1.5 для соответствующих значений

Установлено, что максимальное значение электронного КПД, которое может быть получено в исследуемых монотронных

генераторах с трех- и четырех-зазорными резонаторами, возбуждаемыми на синфазных видах колебаний, при оптимально подобранной (нарастающей)

функции распределения поля составляет 49% и 57% соответственно, а для монотрона с четырехзазорным резонатором, работающем на противофазном виде колебаний - около 55%.

Рассмотрены также высокоэффективных мощных

7' 1— 1. п. /АЛ _ _

/ / . \\ і........

// : \ / ' \ > ' д\; /........../Л .............

У Ч ' 2V / V* 1 ... \

// ; ■ N ! N л 13 14 1*4

Рис. 8. Зависимости относительной амплитуды первой гармоники конвекционного тока, 1\ тах /70 (— -)

и электронного КПД, це (—) от ускоряющего напряжения в монотронах с трех- (1) и четырехзазорными (2) резонаторами альтернативные варианты создания СВЧ-приборов со средними углами -многолучевого низковольтного виркатора с предмодуляцией электронного потока. Схема этого прибора представлена на рис. 9. При работе устройства образуются два виртуальных катода (ВК). От первого ВК во входной области прибора электроны могут быть отобраны в выходную область второго ВК, так же, как от термокатода в обычных СВЧ-триодах и в гибридных приборах - клистродах. Это подтверждается статическими анодно-сеточными характеристиками, снятыми экспериментально с одной ячейки опытного макета многолучевого низковольтного виркатора (рис. 10).

Рис. 9. Схема низковольтного виркатора: 1 - катод; 2 - первый анод; 3 - корпус резонатора (второй анод); 4 - первая сетка; 5 - отражатель; 6 - вторая сетка; 7 - блокировочная емкость; 8 - узкополосный вывод энергии

Рис. 10. Семейство статических анодно-сеточных характеристик прибора:

1-иа, = ис2 = 90В;

2-иа, = ис2= 114 В;

3-иа, = ис2 = 144В;

4 - №і = ис2 = 180 В;

5 - Ші = ис2 = 216 В

Показано, что при работе в классе «В» можно получить на 15-20% более высокий электронный КПД, чем в схеме обычного низковольтного виркатора, за счет предварительной модуляции электронного потока по плотности в области первого виртуального катода и её дальнейшего усиления в области второго виртуального катода, расположенного между анодом и отражателем. Показано, что при разных частотах колебаний двух виртуальных катодов наблюдается генерация широкого набора узкополосных спектров. При совпадении этих частот, что достигается введением положительной обратной связи, наблюдается узкополосная генерация с электронным КПД около 30%. Исследован эффект электронной перестройки частоты за счет изменения напряжения на управляющей сетке и напряжения на втором аноде.

Результаты проведенных экспериментов подтверждают, что предложенная схема прибора с двумя виртуальными катодами может быть весьма перспективной. На ее основе могут быть разработаны мощные многолучевые генераторы с КПД 30-40%, которые отличаются от монотронов возможностью электрического управления частотой, уровнем выходного сигнала и его спектральным составом, включая режим генерации шума.

Рассмотрены пути повышения электронного КПД и уровня выходной мощности в приборах со средними углами пролета (1ТП и отражательного клистрона) за счёт реализации режима несинусоидальной модуляции. Проведены экспериментальные исследования ГТП с одним двухзазорным резонатором и термоэлектронным катодом. Экспериментально показано, что при несинусоидальной скоростной модуляции в модифицированной схеме ГТП с двухзазорным резонатором электронный КПД может достигать 30%, что примерно в 10 раз больше, чем в обычном отражательном клистроне.

В четвертой главе изложены рекомендации по выбору оптимальной конструкции многолучевых монотронов с трех- и четырехзазорными резонаторами, работающих в длинноволной и в 10-см частях диапазона длин волн. Для этих приборов рассмотрены особенности конструктивного исполнения вывода энергии и коллектора. Определены конструктивные параметры электронной пушки, обеспечивающей формирование парциального пучка с микропервеансом 0.286 мкА/Взя при ускоряющих напряжениях 11.7 и 13.3 кВ и коэффициенте заполнения пролетного канала Ыа = 0.6. Электронно-оптическая система прибора содержит 14 парциальных пушек. Проведены оценки уровня выходной мощности в разработанных приборах. Установлено, что многолучевые монотронные генераторы целесообразно применять на частотах выше 1 ГГц. При этом они могут конкурировать с многолучевыми клистронами, т.к. на частоте 2450 МГц электронный КПД приборов с четырехзазорным резонатором может достигать 60% при выходной мощности около 50 кВт, а с трехзазорным - 50% и 40 кВт.

Предложена новая конструкция ГТП для работы в коротковолновой части микроволнового диапазона. В приборе вместо термоэмиссионного

источника электронов используется матричный автоэмиссионный катод с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии с отражательного электрода, введенного в объем двухзазорного резонатора, выполненного с возможностью возбуждения на двух кратных рабочих частотах (рис. 11).

I - система матричных автоэмиссионных катодов; 2 - ускоряющий электрод; 3 - отверстия для пролета первичного электронного потока; 4 - первый сеточный электрод; 5 - объемный резонатор; 6-устройство связи с внешней нагрузкой на основной частоте; 7 - внутренний проводник; 8 - второй сеточный электрод; 9 - отражатель; 10 - вторично-эмиссионное покрытие;

II - блокировочная емкость; 12 - третий источник питания; 13 - емкостной элемент настройки; 14 - второй источник питания; 15 - первый источник питания; 16-устройство связи с внешней нагрузкой на второй гармонике

Рис. 11. Конструкция ГСП

В приборе за счёт использования вместо однозазорного резонатора двухзазорного увеличивается эффективное характеристическое сопротивление последнего в 2-3 раза, а, следовательно, обеспечивается получение более высокой эффективности взаимодействия электронного потока с полем электромагнитной волны на кратных частотах. Даны рекомендации для построения простых по конструкции и малогабаритных многолучевых генераторов и умножителей частоты на основе ГТП с матричным автоэмиссионным катодом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате проведенных расчетов и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача по улучшению выходных параметров многолучевых микроволновых генераторов с многозазорными резонаторами.

1. Разработана методика численно-аналитического моделирования электродинамических характеристик многозазорных резонансных систем монотронов и других многолучевых генераторов со средними углами пролета, позволяющая оперативно выбрать режим работы на противофазном и высшем синфазных типах колебаний.

2. Предложены конструкции электродинамических систем монотронных генераторов с неоднородным распределением электрического поля в резонаторах (с оптимальным соотношением амплитуд нормированной напряженности электрического поля в пространстве взаимодействия, при котором она нарастает по направлению к выходному зазору), с повышенным характеристическим сопротивлением и добротностью и хорошим разделением частот рабочего и высших видов колебаний:

- трехзазорный резонатор имеет следующие параметры: частота 2450 МГц, рабочий вид - синфазный высший вид колебаний, характеристическое сопротивление - 51 Ом, собственная добротность -3736, h/À =0.76, число каналов - 14, диаметр канала - 3 мм, радиус S =25.5 мм;

- четырехзазорный резонатор имеет параметры: частота 2450 МГц, рабочий вид - синфазный высший вид колебаний, характеристическое сопротивление - 83 Ом, собственная добротность - 3741, h/A, =1.037, число каналов - 14, диаметр канала — 3 мм, радиус S=25.5 мм;

- четырехзазорный резонатор - частота 430 МГц, рабочий вид -противофазный вид колебаний, характеристическое сопротивление -17.85 Ом, собственная добротность - 1492, hA. =0.154.

3. Теоретически и экспериментально показана возможность создания многоканального двухзазорного резонатора с кратными частотами синфазного и противофазного видов колебаний (Лп IХс = 2) для ГТП с МАЭК. Повышение КПД этих приборов достигается за счет несинусоидальной модуляции.

4. Проведено численное моделирование нелинейной динамики электронного потока в многозазорных резонансных системах монотронов с неоднородным распределением ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия с учетом поля объемного заряда с помощью дисковой модели клистрона.

При этом установлено, что в предложенных конструкциях мощных монотронных генераторов с пространственно-развитыми электронными потоками при суммарном микропервеансе около 4 мкА/В3/2 возможно получение на частоте 2.45 ГГц следующих значений электронного КПД и выходной мощности:

- 49% и 40 кВт для приборов с трехзазорным резонатором при работе на 2я-виде колебаний;

- 57% и 50 кВт для приборов с четырехзазорный резонатором при работе на 2л-виде колебаний;

- 55% и 5 кВт для генератора с четырехзазорным резонатором при работе на л-виде колебаний на частоте 430 МГц.

5. Выявлено, что предельные, близкие к многорезонаторному клистрону, значения электронного КПД в многолучевых монотронах с трехзазорным (около 50%) и четырехзазорным (около 60%) резонаторами обеспечиваются на синфазном виде колебаний при нелинейном режиме взаимодействия с коэффициентом использования напряжения Ç<2.0.

6. Предложены рекомендации по выбору оптимальной конструкции многолучевых монотронов с трех- и четырехзазорными резонаторами, работающих в длинноволновой и в средневолновой частях диапазона длин волн. Определены конструктивные параметры электронной пушки, обеспечивающей формирование парциального пучка с микропервеансом 0.25-0.3 мкА/В при ускоряющих напряжениях 11.7 и 13.3 кВ и коэффициенте заполнения пролетного канала Ыа = 0.6. Электронно-оптическая система прибора содержит 14 парциальных пушек.

7. Экспериментально установлено, что в многолучевом низковольтном виркаторе с предмодуляцией электронного потока возможно получить электронный КПД около 30%.

8. Экспериментально показано, что при несинусоидальной скоростной модуляции в исследованной схеме ГТП с двухзазорным резонатором и термоэлектронным катодом электронный КПД может достигать 30%, что примерно в 10 раз больше, чем в обычном отражательном клистроне.

9. Для работы в коротковолновой части микроволнового диапазона предложена новая конструкция ГТП с несинусоидальной скоростной модуляцией и с системой матричных автоэмиссионных катодов с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии с отражательного электрода, введенного в объем двухзазорного резонатора. В новом приборе (за счёт использования вместо однозазорного резонатора двухзазорного, возбуждаемого на кратных резонансных частотах) обеспечивается получение более высокой эффективности взаимодействия электронного потока с полем электромагнитной волны и увеличивается выходная мощность в 2-3 раза.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Акафьева, H.A. Приближенные аналитические выражения для расчета электронных параметров бессеточного клистронного резонатора / H.A. Акафьева, В.А. Царев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 4(60). Вып. 2. С. 86-91.

2. Акафьева, H.A. Оптимизация выходных параметров мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на синфазном виде колебаний / H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Журнал радиоэлектроники (электронный журнал). 2012. №1.

Патент на изобретение

3. Положительное решение на выдачу патента по заявке № 2011104833; Российская Федерация, МПК7 H01J25020. СВЧ-генератор с матричным автоэмиссионным катодом с отражением электронного потока / В.А. Царев, H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко -заявл. 09.02.2011; опубл. 21.02.2012.

Публикации в других изданиях

4. Акафьева, H.A. Экспериментальное исследование гибридного СВЧ-прибора с двумя виртуальными катодами / H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч,-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С. 177-182.

5. Акафьева, H.A. Исследование мощного многолучевого микроволнового автогенератора с четырехзазорным резонатором / H.A. Акафьева, В.А. Царев, A.C. Абрамов // Математические методы в технике и технологиях. - ММТТ-21: сб. трудов XXI Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 7. Секции 9, 14 / под общ. ред. B.C. Балакирева. Саратов: СГТУ, 2008. С. 179-181.

6. Акафьева, H.A. Численное моделирование режимов работы мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором / H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2008. С. 176-181.

7. Акафьева, H.A. Применение метода нелинейного подобия для расчета параметров пространственного заряда релятивистских электронных пучков с различной формой

19

поперечного сечения / H.A. Акафьева, B.A. Царев, Д.А. Сальникова // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2008. С. 181-187.

8. Акафьева, H.A. Мощный СВЧ-автогенератор с резонатором распределенного взаимодействия / H.A. Акафьева, В.А. Царев // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т. Т. 1. Саратов: СГТУ, 2009. С. 216-219.

9. Акафьева, H.A. Оптимальный выбор параметров пространственного заряда электронного пучка в СВЧ-приборах клистронного типа / H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы науч.-техн. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. С. 48-51.

10. Акафьева, H.A. Исследование мощного монотрона с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на противофазном виде колебаний / H.A. Акафьева, В.А. Царев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2009. С. 17-19.

11. Акафьева, H.A. Исследование трёхзазорного резонатора мощного многолучевого автогенератора монотронного типа / H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: Издат. центр «Наука», 2010. С. 181-184.

12. Акафьева, H.A. Экспериментальное исследование СВЧ-генератора с тормозящим полем, выполненного на основе двухзазорного резонатора / H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев, И.С. Бирюков // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: Издат. центр «Наука», 2010. С. 184-190.

13. Акафьева, H.A. Экспериментальное исследование низковольтного виркатора с предмодуляцией электронного потока / H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев, И.С. Бирюков // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: Издат. центр «Наука», 2010. С. 190-196.

14. Акафьева, H.A. Некоторые результаты экспериментальных исследований низковольтного виркатора / H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев, И.С. Бирюков // Хаотические автоколебания и образование структур (ХАОС-2010): материалы IX Междунар. шк. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2010. С. 159-161.

15. Akafyeva, N.A. Power multibeam monotron generator with distributed interaction cavity / N.A. Akafyeva // Modeling in applied electromagnetics and electronics: Collected scientific papers. Saratov: Saratov University Press, 2010. Issue 10. P. 68-71.

16. Акафьева, H.A. Мощный СВЧ-генерагор с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на синфазном виде колебаний / H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Севастополь, Украина. 2011. С. 259-261.

Подписано в печать 15.05.2012 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,25 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 15 ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо»

410031, Саратов, Волжская ул., 28 Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо» 410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90

Введение

1 Обзор современного состояния в области разработок 12 мощных СВЧ-генераторов со средним углом пролета через пространство взаимодействия

1.1 Электровакуумные микроволновые генераторы с линейным 12 электронным потоком

1.2 Электровакуумные микроволновые генераторы с 25 отражением электронного потока

Выводы

2 Исследование и оптимизация электродинамических 36 параметров многозазорных резонансных систем многолучевых микроволновых генераторов, работающих в разных частотных диапазонах

2.1 Электродинамические системы многолучевых монотронов

2.1.1 Особенности электронно-оптической 36 и электродинамической систем в многолучевых приборах

2.1.2 Программы расчета электромагнитного поля и параметров 38 электродинамических систем электронных приборов СВЧ и ускорителей

2.1.3 Исследование и оптимизация электродинамических 41 параметров трех- и четырехзазорных резонаторов монотронного генератора

2.2 Исследование и оптимизация электродинамических 51 параметров двухзазорного резонатора многолучевого генератора с тормозящим полем с матричными автоэмиссионными катодами

2.2.1 Методика аналитического расчета электродинамических параметров резонатора

Выводы

3 Теоретическое и экспериментальное исследование 63 физических процессов в многолучевых автогенераторах с многозазорными резонаторами

3.1 Методика аналитического расчета электронных параметров 63 резонатора в нелинейном режиме

3.2 Методика расчета пространственного заряда монотронов 74 с пространственно-развитыми электронными потоками

3.3 Численное моделирование монотронов с помощью 82 дисковой модели клистрона

3.4 Исследование СВЧ-генератора с тормозящим полем, 87 выполненного на основе двухзазорного резонатора

3.5 Исследование низковольтного виркатора с предмодуляцией 95 электронного потока

Выводы

4 Конструктивные особенности исследуемых 107 многолучевых микроволновых генераторов

4.1 Конструктивные особенности четырнадцатилучевого 107 монотрона возбуждаемого на синфазном виде колебаний на частоте 2450 МГц

4.2 Конструктивные особенности генератора с тормозящим 111 полем с матричными автоэмиссионными катодами

4.3 Конструкция микроволнового генератора с матричными 116 автоэмиссионными катодами и отражением электронного потока(«наноклистрон»)

Выводы

Одной из актуальных проблем современной вакуумной СВЧ-электроники является создание высокоэффективных, малогабаритных и простых по конструкции источников СВЧ-энергии малых, средних и высоких уровней мощности, работающих в разных частотных диапазонах. Такие устройства могут найти применение в радиолокации, ускорительной технике, в радиоаппаратуре космического базирования (например, в системах передачи солнечной энергии на Землю), в наземных системах передачи энергии СВЧ на расстояние, а также в установках промышленного нагрева. Существующие генераторные СВЧ-приборы среднего и большого уровней выходной мощности с термоэмиссионными катодами имеют большие углы пролета через пространство взаимодействия, например, ЛБВ, многорезонаторный клистрон и их гибриды. Поэтому они не в полной мере удовлетворяют современным требованиям из-за больших массы и габаритов. Магнетронные генераторы большой мощности имеют ограниченный срок службы.

В связи с этим в последнее время, благодаря работам многих отечественных ученых (Д.И. Трубецкова, В.П. Панова, В.А. Солнцева, В.К. Федяева, A.B. Галдецкого и др.), а также зарубежных ученых (J.J. Barroso, K.G. Kostov и др.), значительно возрос интерес к приборам СВЧ, имеющим средние углы пролета через электродинамическую систему, таким как монотрон, генератор с тормозящим полем (ГТП), отражательный клистрон, низковольтный виркатор, клистрод. Однако в однолучевом исполнении и при использовании классических однозазорных резонаторов эти приборы обладают такими недостатками, как низкий КПД (1-5%) и малый уровень выходной мощности. Исключение составляет лишь клистрод, позволяющий получить большой уровень выходной мощности при высоком КПД (60-70%).

Однако верхняя частотная граница применения клистродов пока не превышает 1.3 ГГц.

Поэтому актуальными проблемами при создании высокоэффективных СВЧ-приборов со средними углами пролета являются повышение КПД, увеличение выходной мощности, а также расширение диапазона рабочих частот. Этого можно достигнуть за счет перехода от однозазорных резонаторов к многозазорным, а также за счет применения пространственно-развитых электронно-оптических систем (с многолучевыми, ленточными и полыми электронными потоками). Для создания новых приборов, работающих в коротковолновой части микроволнового диапазона, целесообразен переход от термоэмиссионных источников электронов к автоэмиссионным с усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии.

Разработка таких приборов является следствием появления новых запросов практики, которые требуют выхода за пределы полученных знаний, так как до настоящего времени многолучевые приборы с резонаторами распределенного взаимодействия, такие как монотроны, отражательные клистроны, низковольтные виркаторы, мало исследованы, как теоретически, так и экспериментально.

Актуальность настоящей работы в научном аспекте определяется тем, что электродинамические характеристики многоканальных многозазорных резонаторных систем (РС) недостаточно исследованы: не изучены особенности взаимодействия пространственно-развитых электронных потоков с РС; не найдены оптимальные условия взаимодействия, требуемые для получения высокого электронного КПД; не изучено влияние электродинамических характеристик РС на выходные характеристики резонансных автогенераторов с распределенным взаимодействием при работе с термо- и автоэмиссионными катодами в различных частях микроволнового диапазона.

Актуальность темы в прикладном аспекте определяется тем, что создание новых малогабаритных, высокоэффективных источников СВЧ-энергии требует новых конструктивных решений как прибора в целом, так и отдельных его узлов; новые знания, полученные в диссертационной работе, будут использованы в учебных программах по специальности «Электронные приборы и устройства» и направлению «Электроника и наноэлектроника».

Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:

1. Найдены необходимые для получения высокого электронного КПД функции распределения ВЧ электрического поля в многолучевых монотронах; и предложены конструкции многозазорных резонансных систем, реализующие найденные закономерности.

2. Установлено, что на частоте 2450 МГц максимальный электронный КПД (около 50%) многолучевого монотрона с трехзазорным резонатором на 2я-виде колебаний достигается на второй зоне генерации (при равных длинах зазоров и втулок и нарастающей по ходу движения электронов амплитуды ВЧ-поля) для режимов, соответствующих областям углов пролета с максимальным отрицательным значением электронной шунтирующей проводимости.

3. Показано, что максимальный электронный КПД (до 57%) на частоте 2450 МГц в четырехзазорном резонаторе с оптимальным распределением поля на 271-виде колебаний при равных длинах зазоров и втулок достигается на третьей зоне генерации, соответствующей области с максимальным отрицательным значением электронной шунтирующей проводимости.

4. Показано, что в многолучевом монотроне с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на частоте 430 МГц на я-виде колебаний (при оптимальном распределении ВЧ электрического поля в зазорах), может быть достигнут электронный КПД до 55% (при подводимой мощности до 5-6 кВт и микропервеансе не более 0,3 мкА/В ) при более низких ускоряющих напряжениях по сравнению с режимом на 2я-виде колебаний.

5. Экспериментально подтверждено, что в модифицированной схеме ГТП с двухзазорным резонатором, возбуждаемым на кратных резонансных частотах (при несинусоидальной скоростной модуляции), электронный КПД может достигать 30%, что примерно в 10 раз больше, чем в обычном отражательном клистроне. Этот режим может быть использован для построения простых по конструкции и малогабаритных многолучевых генераторов и умножителей частоты с термо- и автоэмиссионными катодами и электронной перестройкой частоты.

6. Экспериментально установлено, что в предложенной схеме низковольтного виркатора при работе в классе «В» можно получить (в отличие от классической схемы отражательного клистрона) на 30% более высокий электронный КПД. Это достигается за счет предварительной модуляции электронного потока по плотности в области первого виртуального катода и её дальнейшего усиления в области второго виртуального катода.

Достоверность полученных результатов обеспечивается построением адекватных математических моделей на основе фундаментальных исходных уравнений вакуумной СВЧ-электроники и законов электродинамики, корректностью упрощающих предположений, соответствием результатов расчета и решений тестовых задач, а также соответствием расчетных и экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной аппаратуры.

Практическая значимость состоит в следующем:

1. Получены рекомендации для выбора оптимальных параметров многозазорных резонаторов многолучевых монотронов:

- для трехзазорного резонатора при синфазном возбуждении, работающего на частоте 2.45 ГГц с выходной непрерывной мощностью 40 кВт и электронным КПД 49%;

- для четырехзазорного резонатора при синфазном возбуждении, работающего на частоте 2.45 ГГц с выходной непрерывной мощностью 50 кВт и электронным КПД 57%;

- для четырехзазорного резонатора при противофазном возбуждении, работающего на частоте 430 МГц с выходной непрерывной мощностью 5 кВт и электронным КПД 55%.

2. Получены рекомендации для выбора параметров режимов работы (первеанс одного луча и величины ускоряющего напряжения), необходимые для самовозбуждения генераторов на многозазорных резонаторах с минимальным пусковым током.

3. На основе предложенных конструктивных схем построения автогенераторов с несинусоидальной скоростной модуляцией и автоэмиссионными катодами (с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии с отражательного электрода, введенного в объем двухзазорного резонатора), могут быть созданы новые типы многолучевых малогабаритных генераторов, перспективные для работы в коротковолновой части микроволнового диапазона.

4. Выполнено проектирование 14-лучевого четырехзазорного монотронного генератора на выходную мощность 50 кВт с электронным КПД 57 % на длине волны 12.24 см с ускоряющим напряжением 13.3 кВ и общим током 6.16 А.

Реализация результатов работы

Результаты работы и практические рекомендации по проектированию многолучевого генератора монотронного типа переданы в ОАО «НЛП «Контакт», г. Саратов для изготовления опытных образцов 14-лучевого четырехзазорного монотронного генератора. Результаты используются в учебном процессе на кафедре «Электронные приборы и устройства» СГТУ им. Гагарина Ю.А. при чтении лекционных курсов в рамках дисциплин «Микроволновые приборы и устройства», «Новые типы электровакуумных приборов», а также при курсовом и дипломном проектировании бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».

Материалы, приведенные в работе, использованы при выполнении НИОКР по теме «Разработка основных принципов построения нового типа прибора - мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором»», выполненной в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.), 2009 г., гос. per. № 01200952472.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Предложенные конструкции электродинамических систем многолучевых монотронов, выполненных на основе трех- и четырехзазорных многоканальных резонаторов, обеспечивают (на 2л-виде колебаний) требуемые для достижения высокого электронного КПД электродинамические параметры и нарастающее распределение ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия.

2. Максимальные значения электронного КПД и выходной мощности многолучевых монотронов с трех- и четырехзазорными резонаторами на 2п-виде колебаний достигаются при относительных амплитудах ВЧ-напряжения на резонаторе, не превышающих значения 2, соответственно, при углах пролета 4.3л; и 5.8л;.

3. На основе предложенных конструктивных схем построения автогенераторов с несинусоидальной скоростной модуляцией и матричными автоэмиссионными катодами с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии и введения отражательного электрода в объем резонатора, могут быть созданы новые типы высокоэффективных многолучевых малогабаритных генераторов для коротковолновой части микроволнового диапазона длин волн.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5 конференциях: Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2006, 2008, 2010); XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009); научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2009); Международной научно-технической конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина, 2011).

Получено положительное решение на выдачу патента на изобретение: В.А. Царев, H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко «СВЧ-генератор с матричным автоэмиссионным катодом с отражением электронного потока» заявка №2011104833 от 09.02.2011, решение о выдаче патента 21.02.2012.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них две статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получено положительное решение на выдачу патента на изобретение. Заявка на изобретение: H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев «Мощный СВЧ-генератор монотронного типа» № 2011133860 от 11.08.2011 проходит экспертизу по существу.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 137 страниц, включая 4 таблицы, 98 рисунков, 46 формул, список использованной литературы состоит из 68 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных расчетов и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача по улучшению выходных параметров многолучевых микроволновых генераторов с многозазорными резонаторами.

1. Разработана методика численно-аналитического моделирования электродинамических характеристик многозазорных резонансных систем монотронов и других многолучевых генераторов со средними углами пролета, позволяющая оперативно выбрать режим работы на противофазном и высшем синфазных типах колебаний.

2. Предложены конструкции электродинамических систем монотронных генераторов с неоднородным распределением электрического поля в резонаторах (с оптимальным соотношением амплитуд нормированной напряженности электрического поля в пространстве взаимодействия, при котором она нарастает по направлению к выходному зазору), с повышенным характеристическим сопротивлением и добротностью и хорошим разделение частот рабочего и высших видов колебаний:

- трехзазорный резонатор имеет следующие параметры: частота 2450 МГц, рабочий вид - синфазный высший вид колебаний, характеристическое сопротивление - 51 Ом, собственная добротность - 3736, h/A, =0.76, число каналов - 14, диаметр канала - 3 мм, радиус S =25.5 мм;

- четырехзазорный резонатор имеет параметры: частота 2450 МГц, рабочий вид - синфазный высший вид колебаний, характеристическое сопротивление - 83 Ом, собственная добротность - 3741, h/A, =1.037, число каналов - 14, диаметр канала - 3 мм, радиус S=25.5 мм;

- четырехзазорный резонатор - частота 430 МГц, рабочий вид -противофазный вид колебаний, характеристическое сопротивление - 17.85 Ом, собственная добротность - 1492, h/A. =0.154.

3. Теоретически и экспериментально показана возможность создания многоканального двухзазорного резонатора с кратными частотами синфазного и противофазного видов колебаний (Яп/Яс -2) для ГТП с МАЭК. Повышение КПД этих приборов достигается за счет несинусоидальной модуляции.

4. Проведено численное моделирование нелинейной динамики электронного потока в многозазорных резонансных системах монотронов с неоднородным распределением ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия с учетом поля объемного заряда с помощью дисковой модели клистрона.

При этом установлено, что в предложенных конструкциях мощных монотронных генераторов с пространственно-развитыми электронными потоками при суммарном микропервеансе около 4 мкА/В3/2 возможно получение на частоте 2.45 ГГц, следующих значений электронного КПД и выходной мощности:

- 49% и 40 кВт для приборов с трехзазорным резонатором при работе на 2я-виде колебаний;

- 57% и 50 кВт для приборов с четырехзазорным резонатором при работе на 2тс-виде колебаний;

- 55% и 5 кВт для генератора с четырехзазорным резонатором при работе на л-виде колебаний на частоте 430 МГц.

5. Выявлено, что предельные, близкие к многорезонаторному клистрону, значения электронного КПД в трехзазорном (около 50%) и четырехзазазорном (около 60%) многолучевых монотронов обеспечиваются на синфазном виде колебаний при нелинейном режиме взаимодействия с коэффициентом использования напряжения £,<2.0.

6. Предложены рекомендации по выбору оптимальной конструкции многолучевых монотронов с трех- и четырехзазорными резонаторами, работающих в длинноволной и в средневолновой частях диапазона длин волн. Определены конструктивные параметры электронной пушки, обеспечивающей формирование парциального пучка с микропервеансом

Л/А

0.25-0.3 мкА/В при ускоряющих напряжениях 11.7 и 13.3 кВ и коэффициенте заполнения пролетного канала Ыа = 0.6. Электронно-оптическая система прибора содержит 14 парциальных пушек.

7. Экспериментально установлено, что в многолучевом низковольтном виркаторе с предмодуляцией электронного потока, возможно, получить электронный КПД около 30%.

8. Экспериментально показано, что при несинусоидальной скоростной модуляции в исследованной схеме ГТП с двухзазорным резонатором и термоэлектронным катодом электронный КПД может достигать 30%, что примерно в 10 раз больше, чем в обычном отражательном клистроне.

9. Для работы в коротковолновой части микроволнового диапазона предложена новая конструкция ГТП с несинусоидальной скоростной модуляцией и с системой матричных автоэмиссионных катодов с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии с отражательного электрода, введенного в объем двухзазорного резонатора. В новом приборе (за счёт использования вместо однозазорного резонатора двухзазорного, возбуждаемого на кратных резонансных частотах) обеспечивается получение более высокой эффективности взаимодействия электронного потока с полем электромагнитной волны и увеличивается выходная мощность в 2-3 раза.

1. Millier J.J. Un générateur à temps de transit utilisant un seul résonateur de volume / J.J. Millier, E. Rostas // Helv. Phys. Acta. 1940. Vol. 13. №3. P. 435450.

2. US patent №2,269,456. Electron beam oscillator / W.W. Hansen. 13.01.1942.

3. Barroso JJ. Design facts in the axial monotron // IEEE Transactions on Plasma Science. 2000. V. 28. № 3. P. 652-656.

4. Analysis for the Stability of Hughes-type Coupled Cavity in an Extended-interaction Klystron / Jian Cui, Ji Run Luo, Min Zhu, Wei Guo // PIERS Proceedings, Xi'an, China, March 22-26, 2010. P. 136-139.

5. Патент РФ № 2391739. МПК7 H01J25/74. Название патента: Способ генерации СВЧ колебаний и устройство для его осуществления / П.М.

6. Мелешкевич и др. Заявка № 2008150921/09. Заяв. 22.12.2008. Опубл. 10.06.2010.

7. О создании приборов с большими углами пролета электронов / В.П. Панов и др. Вестник РГРТУ. №2. Вып.32. Рязань. 2010. С. 110-113.

8. Reflector augmented monotron oscillator for microwave generator / C.E. Ward et al. // Patent US 3.339.149. Patented 1967.

9. Пат. № 2118869. Название патента: Монотрон. /Ю.К. Алексеев, А.П. Сухоруков; Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова Заявка № 96120707/09; Заявл. дата 1996.10.14. Опубл. 1998.09.10.

10. Алексеев Ю.К. Исследование выходных и стартовых характеристик квазиоптического монотрона / Ю. К. Алексеев, А.А. Негирев, Е.И. Романуша. М.: МГУ, 1992. 68 с.

11. Орботроны многолучевые генераторы миллиметровых и субмиллиметровых волн / В.Д. Ерёмка, А.А. Кураев, А.К. Синицын / СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 14-й Междунар. Крымской конф. Украина, Севастополь. 2004. С. 199-202.

12. Гайдук В.И. Физические основы электроники СВЧ / В.И. Гайдук, К.И. Палатов, Д.М. Петров. М.: Сов.радио, 1971. 600 с.

13. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ; в 2 т. / И.В. Лебедев. М.: Высшая школа, 1972. Т.2. 376 с.

14. US patent №2,459,283. Positive grid oscillator / John W. McNall. Publ.1944.

15. Студенков E.M. Электронно-лучевые генераторы ультравысокого-частотных колебаний / Е. М. Студенков. Успехи физических наук. Т. XXIII. Вып. 4. 1940 С. 417-441.

16. Design and fadrication of a THZ nanoklystron / Harish M. Manohara et al. California Institute of Technology. 2003.

17. US patent № 2010045158 Al. Electron density controllable field emission devices. / Yong Hvup Kim. Wal Jun Kim. Publ. 25.02.2010.

18. Joan Garcia-Garcia. Optimization of Micromachined Reflex Klystrons for Operation at Terahertz Frequencies / Joan Garcia-Garcia, Ferran Martin, Robert E. Miles. IEEE Transactions on microwave theory and techniques. Vol. 52. № 10. 2004. P. 2366-2370.

19. Patent WO 2007/142419 Al. Klystron oscillator using cold cathode electron gun, and oscillation method / Jeon, Seok Gy. Publ. 13.12.2007.

20. Дубинов A.E. Электронные приборы с виртуальным катодом / А.Е. Дубинов, В.Д. Селемир // Радиотехника и электроника. 2002. Т.47. №6. С. 645-672.

21. Patent US № 2004/0245932 Al Microwave generator with virtual cathode. / A-J. Durand, V. Villacoublay. Pub. 09.12.2004.

22. Калинин Ю.А. Низковольтный виркатор: теория и эксперимент / Ю.А. Калинин, А.Е. Храмов // XIII Зимняя школа-семинар по СВЧ электронике и радиофизике. Саратов: Изд-во ГосУНЦ «Колледж», 2006. С. 78-79.

23. Мощные многолучевые электровакуумные усилители СВЧ / Л.М. Борисов и др. Электронная техника, Сер. СВЧ-техника, 1993. №3. С. 12-20.

24. 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. С. 62 -65.

25. Крылов В.И. Вычислительные методы высшей математики /В.И. Крылов, В.В. Бобков, П.И. Монастырский Минск: Вышейная школа, Т.1. 1972.

26. Pontoppidan К. Numerical solution of waveguide problems using finite-difference methods. /К. Pontoppidan // Europien microwave conference: proced. IEE conf. Vol. 58. 1969. P. 99 102.

27. Акафьева Н.А. Исследование мощного монотрона с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на противофазном виде колебаний / Н.А. Акафьева, В.А. Царев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2009. С. 17-19.

28. Akafyeva N.A. Power multibeam monotron generator with distributed interaction cavity / N.A. Akafyeva // Modeling in applied electromagnetics and electronics: Collected scientific papers. Saratov: Saratov University Press, 2010. Issue 10. P. 68-71.

29. Brodie I. Vacuum microelectronics in: Advances in Electronics and Electron Physics /1. Brodie, C.A. Spindt / NY.: Academic Press, 1992. 106 P.

30. Трубецков Д.И. Вакуумная микроэлектроника / Д.И. Трубецков. Соросовский образовательный журнал. 1997. № 4.

31. Spindt С. A. Physical properties of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones / C. A. Spindt, I. Brodie, L. Humphrey, E. R. Westerberg // Journal of Applied Physics. Vol. 47. Issue12. 1976.P. 5248-5264.

32. Патент РФ № 2393577. МПК7 H01J25/02. Прибор клистронного типа /А.Н. Королев, Г.К. Симонов, К.Г. Симонов. Заявка № 2009116898/09. Заявл. 06.05.2009. Опуб. 27.06.2010.

33. Корчагин А.И. Результаты математического моделирования двухзазорных резонаторов для мощных многолучевых клистродов / А.И.

34. Корчагин, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев. Вестник Саратовского государственного технического университета. Вып. 4 (51). 2010. С. 61-66.

35. Царев В.А. Анализ и синтез допусков на изготовление двухзазорных резонаторов «TRON» / В.А. Царев, В.И. Торопчин // Програмные средства в учебном процессе и научных исследованиях: сб. программн. средств. Саратов: Сарат. техн. ун-т, 1995. С. 50.

36. Хайков А.З. Клистронные усилители / А.З. Хайков. М.: Связь, 1974.392 с.

37. Акафьева, Н.А. Приближенные аналитические выражения для расчета электронных параметров бессеточного клистронного резонатора / Н.А. Акафьева, В.А. Царев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011.

38. Branch G. М. Electron beam coupling in interaction gaps of cylindrical symmetry / G.M. Branch. IRE Transactions. 1961. V. ED-8. №3. P. 193-207.

39. Warnecke R. Les Tubes Electroniques a Commande par Modulation de Vitesse/R Warnecke, P. Guenard. Paris: Gauthier-Villars. 1959.

40. Palmer R. Introduction to Cluster Klystrons / R. Palmer // Proceedings of the International Workshop on Pulsed RF Power Sources For Linear Colliders, RF93, Dubna, Protvino, Russia, 1993. P.69-73.

41. Lingwood C. High-Efficiency Multiple-Beam Klystron (MBK) / C.Lingwood, R. G. Carter // Trans. IEEE. 1982. Vol. MK-1. N 3. P. 315-319.

42. Branch G.M. Reduction of plasma frequency in electron beams by helicses and drift tubes / G.M. Branch // Proc. IRE, Vol. 43. 1955. № 8. P. 1018.

43. Кацман Ю.А. Приборы СВЧ / Ю.А. Кацман. М.: Высшая школа, 1983. 368 с.

44. Веников В.А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики): учебник для вузов по спец. «Кибернетика электр.систем».3-е изд.,перераб. и доп. / В.А. Веников, Г.В. Веников. М.: Высшая школа, 1984. 439 с.

45. Mihran T.G. The effekt drift lenght, beam radius and perveance on klystron power conversation efficiency / T.G. Mihran // Trans. IEEE. 1967. Vol. ED-14. N 4. P. 201-206.

46. Царев В.А. Критериальная оценка предельных значений электронного КПД и долговечности СВЧ-приборов клистронного типа / В.А. Царев // Волноводные линии, системы и элементы технологических установок СВЧ: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1994. С. 59-66.

47. Teryev V.E. DISKLY code for calculation and Optimization of Klystrons / V.E. Teryev. RF'93. 1993. P. 161-166.

48. Caryotakis G. High-power klystrons: theory and practice at the Stanford linear accelerator center / G. Caryotakis. USA, CA. 2005. 138 p.

49. Wessel-Berg T. Space-Charge Wave Theory of Interaction Gaps and Multi-Cavity Klystrons with Extended Fields / T. Wessel-Berg. Norwegian Defence Research Report. № 32. 1960.

50. Rowe J. E. Nonlinear Electron-Wave Interaction Phenomena / J. E. Rowe. New York Academic Press. 1965.

51. Проектирование многолучевого автогенератора СВЧ на двухзазорном резонаторе / O.A. Горлин, В.Ю. Мишин, В.К. Федяев, A.A. Шишков // Вестник РГРТУ. 2010. № 1. Вып. 31. С. 170-174.

52. Разработка основных принципов построения нового типа прибора -мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором: Отчето НИОКР (заключ.) / СГТУ; рук. В.А. Царев. ГР № 01200952472; Инв. 17. Саратов, 2009. - 16 с.

53. Положительное решение на заявку № 2011104833. Российская Федерация. МПК7 H01J25020. СВЧ-генератор с матричным автоэмиссионным катодом с отражением электронного потока / В.А. Царев, H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, заявл. 09.02.2011; опубл. 21.02.2012.

54. Кацман Ю. А. Приборы сверхвысоких частот. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов. / Ю.А. Кацман. Том И. Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1973. 384 с.

55. Gilmour A.S. Principles of traveling wave tubes. / A.S. Gilmour. Artech House. Boston, London, 1994.