Повышение эффективности многолучевых клистронов и клистродов за счет оптимизации параметров и конструкции резонаторных систем

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 прибормноголучевой 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.;

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 05 В.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 усиленияДСТо 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.