Исследование характеристик двухзазорных многолучевых пространственно-развитых резонаторов

В.А. Сенчуров, В.А. Царев

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХЗАЗОРНЫХ МНОГОЛУЧЕВЫХ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗВИТЫХ РЕЗОНАТОРОВ

Описываются результаты теоретических и экспериментальных исследований электродинамических характеристик новых типов двухзазорных пространственно-развитых резонаторов. Исследуется возможность реализации режима работы с кратными резонансными частотами.

Двухзазорные резонаторы, новые типы резонаторов, многолучевые резонаторы, резонатор на кратные частоты

V.A. Senchurov, V.A. Tsarev INVESTIGATION CHARACTERISTICS OF DOUBLE-GAP MULTIBEAM SPATIALLY-DEVELOPED CAVITY

In this paper we describe the results of theoretical and experimental investigations of electrodynamics characteristics of new type double-gap multibeam spatially-developed cavities. We investigate the possibility of realization the regime of work with divisible resonance frequencies.

Double-gap cavity, new type cavity, multibeam cavity, cavity with divisible frequencies

Введение

Широкая полоса рабочих частот и высокий уровень выходной мощности являются важнейшими требованиями, предъявляемыми к клистронам и клистродам, применяемым в качестве выходных усилителей мощности в передатчиках РЛС и телевизионных передатчиках, работающих в дециметровой части СВЧ диапазона. Эти требования наилучшим образом могут быть реализованы в многолучевых конструкциях приборов [1].

Ширина полосы усиливаемых частот в значительной мере определяется свойствами выходного резонатора многолучевого клистрона. Она может быть оценена с помощью известного выражения:

Df/f, = M >/(N R01),

где М - коэффициент эффективности взаим M 2р действия; р- характеристическое сопротивление резонатора; N - число лучей; R01 - сопротивление одного луча по постоянному току.

Из этого выражения следует, что при максимальном электронном КПД для увеличения полосы необходимо повышать характеристическое сопротивление и увеличивать число лучей. Недостатком известных конструкций резонаторов многолучевых приборов с плотной упаковкой лучей в единой пролетной многоканальной трубе является низкое характеристическое сопротивление, падающее с увеличением числа

лучей, а также сильная неоднородность ВЧ поля по радиусу пролетной трубы. Эти

недостатки ухудшают выходные характеристики многолучевого прибора [2-4].

Рис. 1. Модели 3-, 4- и б- лучевых резонаторов

Рис. 2. Поперечное сечение резонатора с указанием основных характерных размеров

В статье описываются результаты теоретических и экспериментальных исследований электродинамических характеристик новых типов двухзазорных пространственно-развитых резонаторов, свободных от указанных выше недостатков. Исследуется возможность реализации режима работы с кратными резонансными частотами.

Описание конструкции резонаторов древовидного типа

Конструкции пространственно-развитых 3-, 4- и 6- лучевых резонаторов древовидного типа схематически представлены на рис. 1.

Эти резонаторы содержат в одном цилиндрическом корпусе несколько резонансных ветвей, оканчивающихся пролетными втулками. Резонансные ветви имеют вид стержней и крепятся на общем опорном стержне, короткозамкнутом на корпус прибора. Поперечное сечение резонатора с указанием основных характерных размеров приведено на рис. 2.

Применение численных методов для расчета таких резонансных систем затруднено из-за сложной формы и отсутствия аксиальной симметрии. Экспериментально эти резонаторы из-за новизны также не исследованы. В связи с этим проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по изучению электродинамических свойств новых типов резонаторов.

Исследовались резонаторы прибора со следующими размерами: H = 58 мм, dt

= 9 мм, d1 = 7.4 мм, d 0 = 15 мм, 2R = 120 мм. Пролетные втулки имели пролетные каналы

диаметром 6 мм. Перестройка резонаторов могла осуществляться как изменением длин элементарных зазоров, так и введением специального подстроечного элемента (стержня) в максимум электрического поля резонатора. Проведено сравнение результатов эксперимента и численного расчета, проведенного по программе HFSS. На рис. 3, 4 показано изменение частот противофазного и синфазного видов колебаний при изменении относительной длины зазоров d/a.

Как видно из рис. 3, 4, погрешность численного расчета и экспериментальных исследований не превышает 2%.

Перестройку частоты противофазного вида колебаний можно эффективно осуществлять емкостным элементом в виде стержня (рис. 5). Зависимость удвоенной частоты противофазного вида колебаний и частоты синфазного вида колебаний, соответствующих первой и второй собственным модам резонатора, соответственно, от

длины подстроечного емкостного элемента 2, показана на рис. 6. Зависимость построена для 3- лучевого резонатора. Видно также, что частота синфазного вида колебаний при такой перестройке изменяется слабо по сравнению с противофазным видом.

1 ГГц

экспер ч и мент

\ \ У

V Чч числені яый расчі ет

/

і 1 1.5 2 25 3 3.5 4 сі/а

Рис. 3. Сравнение экспериментальных данных и данных численного эксперимента для 3-лучевого резонатора

Рис. 4. Сравнение экспериментальных данных и данных численного эксперимента для 3-лучевого резонатора

Рис. 5. Поперечное сечение резонатора с емкостным элементом в виде стержня

Произведены расчеты для 6- лучевого двухзазорного резонатора. Зависимость удвоенной частоты противофазного вида колебаний и частоты синфазного вида колебаний, соответствующих первой и второй собственным модам резонатора, соответственно, от длины подстроечного емкостного элемента 2, показана на рис. 7.

Таким образом, как видно из рис. 6 и 7, оптимальным выбором размеров резонаторов и введения емкостного подстроечного элемента удалось подстроить основной противофазный вид колебаний (частота - П) и синфазный тип колебаний Е010 (частота-Б2) на кратные

резонансные частоты (Е2 = 2П) для 3- и 6-лучевого двухзазорных резонаторов. При этом можно (так же как и для однолучевых приборов) обеспечить приемлемые условия для взаимодействия пучка с

полем одновременно на двух гармониках.

1750

1700

1950

1500

1490

1*00'

1Э90

1300

1290

1200

1190

1100

1090

1000-

2П=Р2

1600‘ 1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 1 150 1 100 1050 1000

Р, МГЦ

2¥ 1

2Р1=Б ’2

ч

\ ¥2 \

г,

9 10 11 12 13 14 15 1$ 1У 18

(5 1 2 3 4 5 6 7

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Рис. 6. Сравнение численного расчета частоты противофазного Р1 и синфазного Р2 типов

Рис. 7. Сравнение численного расчета частоты противофазного Р1 и синфазного Р2 типов

колебаний для 3- лучевого двухзазорного резонатора для разных значений длины емкостного подстроечного элемента Ъ

колебаний для 6- лучевого двухзазорного резонатора для разных значений длины емкостного подстроечного элемента Ъ

На рис. 8 показаны зависимости коэффициента эффективности взаимодействия М (кривые 1 и 2) и активной составляющей электронной проводимости Ge/Go (кривые 3 и 4) от полного угла пролета двойного зазора уО для кратных частот, соответствующих

противофазному и синфазному видам колебаний. Из этого рисунка видно, что оптимальный угол пролета для высшего синфазного вида колебаний вдвое больше, чем для основного противофазного вида. Поэтому при углах пролета уО >4.5 радиан электронная проводимость положительна, как для одного, так и для другого вида колебаний, а коэффициенты взаимодействия достигают максимальных значений.

Далее исследована зависимость частоты основного противофазного типа колебаний и частоты синфазного типа колебаний от числа лучей (рис. 9, 10). Также построена

аппроксимирующая функция для частот обоих видов колебаний, позволяющая оценить частоту отличным от тех, что были просчитаны. юооФр1' МГц

м

0*8

0.6

0.4

0.2

2

/ \

/ / /"

/ / / ✓ ' ✓ 7 / \ / ч

Си-.1 1 '2 ' /4 \ 6 '3 / л 10

\з

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

-0.1

-0.2

Рис. 8. Зависимости коэффициента эффективности взаимодействия М (кривые 1 и 2) и активной составляющей электронной проводимости Ge/Go (кривые 3 и 4) от полного угла пролета двойного зазора уО для кратных частот

для резонаторов с числом лучей,

950

900

850

800

750

700

650

600

550

500-

2

Рис. 9. Аппроксимирующая функция для противофазного вида колебаний F1(N):

Рис. 10. Аппроксимирующая функция для синфазного вида колебаний F2(N):

Заключение

Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования доказали возможность реализации режима с кратными резонансными частотами в таких резонаторах. Исследована зависимость частоты основного противофазного типа колебаний и частоты синфазного типа колебаний от числа лучей, построены аппроксимирующие функции.

Это открывает возможности создания на основе таких резонаторных систем новых типов высококачественных многолучевых СВЧ-приборов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пчелинцев Г. А. Перспектива применения клистродов для целей СВЧ энергетики / Г.А. Пчелинцев, Д.А. Сальникова, В.А. Царев // Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 2005. С. 382-385.

2. Tsarev V. A. Investigation of the electrodinamic characteristics for double-gap multi -beam klystrons cavities / Tsarev, V.A., A.Y. Miroshnichenko,V.Y. Muchkaev // Proceedings IEEE International Vacuum Electronics Conference. US, Monterey, CA 93940, 18-20 May, 2010. P.148.

3. High-power, high-efficiency klystrons for industrial heating / Arai Shintaro, Maruyama Yoshifumi, Tomikawa Kunihiro, Makino Toshimoto // NEC Res. and Dev. 1995. 36. №3. C. 400 -405.

4. Пат. SU 1376828 A1 H 01 J 23/18. Резонатор СВЧ-прибора / В.Г. Андреев, Н.В. Андреев, В.М. Белугин и И.А. Сытченко, 07.10.91. Бюл. №37.

Сенчуров Виктор Андреевич -аспирант кафедры «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета

Царев Владислав Алексеевич -доктор технических наук, профессор кафедры «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 08.11.10, принята к опубликованию 22.11.10