Результаты математического моделирования двухзазорных резонаторов для мощных многолучевых клистродов, работающих в режиме умножения частоты

А.И. Корчагин, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев

РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВУХЗАЗОРНЫХ РЕЗОНАТОРОВ ДЛЯ МОЩНЫХ МНОГОЛУЧЕВЫХ КЛИСТРОДОВ,

РАБОТАЮЩИХ В РЕЖИМЕ УМНОЖЕНИЯ ЧАСТОТЫ

Представлены результаты математического моделирования двухзазорных резонаторов для мощных многолучевых клистродов, работающих в режиме умножения частоты в промышленном диапазоне.

Двухзазорный резонатор, клистрод, умножитель частоты

A.I. Korchagin, A.Yu. Miroshnichenko, V.A. Tsarev

THE RESULTS OF NUMERICAL MODELING OF TWO-GAPS CAVITY FOR POWERFUL MULTI-BEAM IOT WORKING AS THE FREQUENCY MULTIPLIER

The results of numerical modeling of two-gaps cavity for powerful multy-beam klystrodes working as the frequency multipliers on frequency of 2,45 GHz are described.

Two-gaps cavity, klystrode, frequency multipliers

В последние годы гибридные приборы - клистроды (IOT) широко используются в нижней части СВЧ-диапазона (0,2 - 1,3 ГГц) в качестве мощных высокоэффективных усилителей и генераторов электромагнитных колебаний. Они применяются в ускорительной технике, в телевидении, СВЧ-энергетике [1]. Как правило, клистрод - это однолучевой прибор, в состав которого входят триодная часть с сеточным управлением катодным током, пролетная труба, выходной резонатор и коллектор [2]. Одним из направлений улучшения выходных параметров клистрода является переход к многолучевой конструкции, содержащей группирующую секцию с промежуточным резонатором [3]. Такой прибор, построенный на двухзазорных пространственно-развитых резонаторах, получил название тристрод [4]. Он может наиболее эффективно работать в режиме умножения частоты [5]. В этом режиме первичное формирование электронных сгустков в триодной части и их догруппировка в промежуточной секции будет проходить на частоте f, а отбор энергии в выходном зазоре - на частоте kf, где k - коэффициент умножения. Схема прибора представлена на рис. 1.

Конструкция резонаторов тристрода описана в патенте [6]. Такой резонатор может возбуждаться как на основном (противофазном), так и на высших видах колебаний, из которых наибольший интерес представляет синфазный вид. Этот вид колебаний при оптимальном выборе геометрических размеров резонатора может быть настроен на частоту третьей

гармоники конвекционного тока. Однако такие режимы работы резонатора ранее не исследовались.

Целью работы является изучение особенностей поведения различных типов колебаний в двухзазорных пространственно-развитых цилиндрических резонаторах, анализ возможности использования кратных противофазного и синфазного видов колебаний для создания нового прибора тристрода - умножителя частоты с уменьшенными габаритами, массой и высоким КПД. Продольное и поперечное сечения исследуемого резонатора показаны на рис. 2, 3.

Применение аналитических методов для расчета таких резонансных систем затруднено из-за сложной формы и отсутствия аксиальной симметрии. В связи с этим проведено численное моделирование этих резонаторов с применением программы 3Э анализа, описанной в [7]. В ходе работы найдены геометрические размеры трех моделей резонаторов, предназначенных для режима умножения частоты к = 3. Нормированные значения геометрических размеров пространства взаимодействия в трех моделях резонаторов, синтезированных на частоту 2,45 ГГц, приведены в таблице.

Рис. 1. Конструкции высокоэффективного мощного генератора электромагнитного излучения на основе многолучевого тристрода - умножителя частоты: 1 - катод; 2 - сетка; 3 - ввод энергии; 4 - вывод энергии; 5 - коллектор; 6 - входной резонатор; 7 - промежуточный резонатор; 8 - выходной резонатор

Рис. 2. Продольное сечение резонатора с указанием обозначений основных характерных размеров

Рис. 3. Вид резонатора в поперечном сечении А-А

Нормированные значения геометрических размеров пространства взаимодействия в трех моделях резонаторов, синтезированных на частоту 2,45 ГГц

Наименование параметра Значение

Модель 1 Модель 2 Модель 3

1 / А 0,08 0,125 0,155

<1 / А 0,046 0,036 0,03

а / А 0,017 0,013 0,01

й / А 0,342 0,268 0,222

Э / А 0,228 0,18 0,148

Ьі / А 0,274 0,277 0,281

Рис. 4. Силовые линии поля в зазорах резонатора (I и II) на основном - противофазном (ПФ) и на высшем - синфазном (СФ) видах колебаний и зависимости нормированной напряженности электрического поля в зазорах от координаты т для трех моделей резонаторов в сечении Б-Б

Рис. 5. Зависимости частот противофазного (ПФ) и синфазного (СФ) видов колебаний от нормированной длины элемента перестройки 5/1

Исследован характер поведения продольной

компоненты электрического поля вдоль длины

пространства взаимодействия в зависимости от длин центральных электродов

(трубок). На рис. 3 показаны силовые линии поля в зазорах резонатора на основном -противофазном и на высшем -синфазном видах колебаний и зависимости нормированной напряженности электрического поля в зазорах от координаты z для трех моделей резонаторов. Эти результаты показывают, что амплитуды поля в зазорах на синфазном виде колебания различны. Их величины сильно зависят от длины трубок. С увеличением длин трубок амплитуда поля в первом (I) по направлению влета пучка зазоре резонатора уменьшается. В азимутальном направлении изменение

электрического поля в разных каналах, находящихся при разных углах а, не превышает 3%. Точную настройку на кратные частоты можно осуществить перемещением подстроечного элемента. Как видно из графика, приведенного на рис. 5, для модели резонатора 1 оптимальная нормированная длина элемента перестройки 8/Я равна 0,0765. Это необходимо учитывать при проектировании прибора - умножителя частоты.

Аналогичные расчеты также проведены для резонаторов моделей № 2 - 3, отличающихся длиной втулки 1. Для модели №2 с 1 / X = 0,125 оптимальное значение 8/Я составило 0,1, а для модели № 3 с 1 /X = 0,155 оптимальное значение 8/Я = 0,1125.

Таким образом, с увеличением относительной длины втулки требуется большая емкость перестроечного элемента, зависящая от длины элемента перестройки 5.

Для исследуемых моделей проведен расчет электронных параметров взаимодействия: коэффициента связи М и относительной активной составляющей шунтирующей электронной проводимости Єе / Є0 от ускоряющего напряжения. Результаты приведены на рис. 6.

Эти зависимости позволяют выбрать величину ускоряющего напряжения для конкретной конструкции прибора, рассчитанной на заданную выходную мощность. Например, для модели выходного резонатора 3 оптимальным является ускоряющее напряжение 10 кВ. Считая, что предельный электронный КПД в конструкции такого прибора при работе на высшем виде колебаний составляет 60%, можем оценить его выходную мощность по формуле

Рис. 6. Зависимости коэффициента связи М и относительной активной составляющей шунтирующей электронной проводимости Се/С0 от ускоряющего напряжения на синфазном виде колебаний: 1, 4 - модель резонатора 1; 2, 5 - модель резонатора 2; 3, 6 - модель резонатора 3 - коэффициент связи М; - Є / Є0

Реых =Ле Пк • (Рт- Nл • 10-6) • Щ

2

где h - контурный КПД; re - электронный КПД; р - микропервеанс одного луча; N л - число лучей.

Полагая гк = 0,95, re = 0,6, рт = 0,3мкА/В3/2, Nл = 20, U0 = 10000 В, получаем Рвых=34:2

кВт.

В заключение можно сделать следующие выводы: 1) впервые показана

возможность реализации режима с кратными резонансными частотами в резонансных системах «древовидного типа» с пространственно разнесенными пролетными втулками; 2) изучены особенности поведения продольной составляющей ВЧ поля для кратных гармоник (k = 3) вдоль оси пространства взаимодействия в зависимости от длины втулок и частотного диапазона; 3) данные расчёты позволяют создавать на основе таких систем новые типы высококачественных многолучевых СВЧ-приборов; 4) разработанные

принципы конструирования могут быть положены в основу клистродных усилителей и генераторов различного назначения, используемых в СВЧ энергетике, системах связи и телевидении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Kowalczyk R.D. Development of a Wideband IOT / R.D. Kowalczyk // Ninth IEEE International Vacuum Electronics Conference. USA, Monterey, 2008. P. 449 - 450.

2. Priest H. The Klystrode, an old idea with new applications / H. Priest // Varian Associates Palo Alto CA. San Francisco, 1987. P. 12-18.

3. Сушков А. Д. Расчет пакетирования электронов в триод-клистроне / А. Д. Сушков,

В.К. Федяев // Известия вузов. Радиоэлектроника. 1967. № 11. С. 89-93.

4. Tsarev, V.A. Analytical Calculations of Efficiency and Comparison with Experimental Data for Inductive Output Tube / V.A. Tsarev, A.Yu. Miroshnichenko // Proceedings IEEE International Vacuum Electronics Conference. Rome, Italy, 2009. P. 375-377.

5. Федяев В.К. Тристрон - утроитель частоты / В. К. Федяев, В. Н. Козлов // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 15-й Междунар. Крымской конф. Севастополь, 2005. С. 203-205.

6. Пат. № 2084042. Клистрод / В.А. Царев, А.Ю. Мирошниченко. Приоритет от 29.06.1994, опубл. 10.07.1997.

7. Tsarev V.A. Investigation of the electrodinamic characteristics for double-gap multibeam klystrons cavities / V.A. Tsarev, A.Yu. Miroshnichenko, V.Yu. Muchkaev // Proceedings IEEE International Vacuum Electronics Conference. ^А, Monterey, 2010. Р. 148149.

Корчагин Алексей Игоревич -студент кафедры «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета

Мирошниченко Алексей Юрьевич -кандидат технических наук, доцент 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