Нелинейные явления при усилении электромагнитных волн интенсивными электронными потоками в многолучевых микроволновых усилителях (1097764), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Вычислительный эксперимент по анализу нелинейноговзаимодействия электромагнитных волн с интенсивными электроннымипотоками на базе дискретных моделей электронного потока, которыйвыявил ряд новых эффектов, включая эффекты расслоения и динамическойрасфокусировки электронного пучка. На его основе разработаныпринципы высокоэффективного группирования и энергообмена в мощныхузкополосных и широкополосных многолучевых клистронных усилителях.3. Способы компенсации эффекта расслоения электронного пучкавоздействием на электронный поток полями резонаторов основнойчастоты, их высших гармоник, разнозазорных резонаторов; влиянияэффекта динамической расфокусировки электронного потока и ихсовместную реализацию для высокоэффективного группирования иэнергообмена в многолучевых клистронных усилителях.64. Разработку моделей, принципов построения и экспериментальнуюреализациюнерелятивистскихирелятивистскихмноголучевыхклистронных усилителей и многолучевого релятивистского генераторасантиметрового диапазона длин волн.5.
Экспериментальную реализацию принципа высокоэффективногогруппирования и энергообмена с учетом кулоновского взаимодействия,влияния эффектов расслоения и динамической расфокусировкиэлектронного потока, приведшую к созданию многолучевых клистронныхусилителей с КПД более 70%.Апробация работы:Материалы диссертации изложены более чем в 150 работах, средикоторых 70 статей, и 5 обзоров, опубликованных в центральных журналахСССР, России и за рубежом, и более чем 80 докладов в трудахконференций, книге лекций по электронике СВЧ.Материалы, изложенные в диссертации, доложены и опубликованы втрудах Всесоюзных, Всероссийских и Международных конференций,семинаров, симпозиумов и рабочих совещаний: на Всесоюзных научныхсессиях, посвященных Дню Радио; Всесоюзных семинарах поколебательным явлениям в потоках заряженных частиц; Ломоносовскихчтениях МГУ; Всесоюзных семинарах по методам учета силпространственного заряда в электронных приборах СВЧ; на 3-й и 10-йзимней школе-семинаре по электронике СВЧ; Всесоюзных семинарах порелятивистской электронике; Симпозиуме по сильноточной электронике;Всесоюзной школе-семинаре «Физика и применение микроволн»; 2-йконференции по высокотемпературной диагностике плазмы (США-1978);4-й, 6-й и 9-й Международной конференции по сильноточнымэлектронным и ионным пучкам (BEAMS) (Франция – 1981, Япония – 1986,США - 92); на 9-й конференции по ЛСЭ (США – 1987); на рабочихсовещаниях по Линейным Коллайдерам (LC) (Япония – 1990, Россия –1991, Япония –1995, Россия – 1997); на рабочих совещаниях по СВЧисточникам для Линейных Коллайдеров (RF) (Россия – 1992, США – 1994,Япония – 1996); на конференции по электромагнитным взаимодействиям(EUROEM – 1994, AMEREM – 1996), UHF (Россия – 1999, 2001); в Китае(2000, 2002); на Международном семинаре по современным проблемамвычислительной электродинамики – Санкт-Петербург 2004 г.Диссертация состоит из 5 глав, введения, заключения, содержит 306страниц текста, включающих 180 рисунков и библиографию из 600наименований.
Основные результаты диссертации опубликованы в 30статьях, 23 докладах на конференциях, авторском свидетельстве наизобретение и книге лекций по электронике СВЧ [1-55].7Содержание диссертацииВо введении кратко описано современное состояние теории ипрактики разработки и создания мощных однолучевых и многолучевыхклистронных усилителей. Особое внимание уделено методам и способамтеоретического описания физических процессов, происходящих в мощныхмноголучевых клистронных усилителях при их практической реализации.Содержитсяисторическаясправкапотеоретическимиэкспериментальным исследованиям, проведенным другими авторами.Кратко обсуждаются основные достижения в анализе нелинейных явленийпри усилении электромагнитных волн интенсивными электроннымипотоками в многолучевых микроволновых приборах. Обосновываетсянеобходимость проведения дальнейших исследований по повышениюэффективности клистронных усилителей.В первой главе описаны теоретические аспекты вычислительногоэксперимента по взаимодействию интенсивного электронного потока иэлектромагнитного поля в мощных многолучевых микроволновыхприборах и представлено описание физических процессов, происходящихв них.
Основное внимание уделено нелинейным явлениям усилениясигналов в многолучевых клистронных усилителях.Описываются типы интенсивных электронных потоков, способы ихформирования и особенности прохождения в канале взаимодействия.Обсуждаются достоинства и недостатки однолучевых и многолучевыхэлектронно-оптических систем и их реализация в широкополосных иузкополосных клистронных усилителях. Рассмотрена спецификафокусирующей системы для различных областей применения приборов.Микроволновые приборы на продольном взаимодействии: мощныйклистронный усилитель (рис.
1а), односекционная и многосекционная ЛБВ(рис. 1б, в) и твистрон (рис. 1г) имеет четыре основных конструктивныхэлемента: электронную пушку, область взаимодействия, коллектор имагнитную фокусирующую систему. Эти приборы имеют общий основнойэлемент – резонатор. Это может быть однозазорный, двухзазорный либомногозазорный резонатор в клистронном усилителе, либо системасвязанных резонаторов в мощных ЛБВ и «сороконожка» или «клеверныйлист» в твистроне.Возможен и гибридный вариант (рис.
1д), который на входесодержит секцию ЛБВ или многозазорный резонатор, обеспечивающиеввод широкополосного сигнала, и высокоэффективный нелинейныйгруппирователь, а на выходе - распределенную секцию ЛБВ,обеспечивающую широкополосный съем энергии усиливаемого сигнала. В8последние годы нашли широкое применение именно эти гибридныеварианты.Электронные пушки, системы фокусировки электронного пучка,коллекторы и окна ввода и вывода энергии являются общими для всехприборов с продольным электронным потоком. Главное отличиезаключено в области взаимодействия.В микроволновых приборах с продольным взаимодействием могутпротекать физические процессы,которые можно описывать линейнойтеориейвслучае,например,многочастотноговзаимодействия,слабонелинейной теорией в случаеспиральной ЛБВ и ЛБВ на связанныхрезонаторах, работающей на границеполосы прозрачности, а такженелинейной теорией в случаемощных клистронных усилителей иЛБВ.
Сложные электродинамическиеструктуры могут быть описаныметодамиэквивалентныхсхем:четырехполюсникамилибошестиполюсниками или, при прямомрешении, уравнений Максвелла.Приведены уравнения длялинейной,слабонелинейнойинелинейной теорий микроволновыхприборов.ОписаныРис. 1. Схемы мощного клистронногодискретныеусилителя (а), односекционной ЛБВ (б), соответствующиемногосекционной ЛБВ (в), твистронамоделиучетавлияниясил(г) и гибридного прибора (д).пространственногозарядадлякаждой из них и обоснована ихприменимость для различных режимов работы приборов с продольнымвзаимодействием.Рассмотрены и обоснованы различные одномерные, двумерные итрехмерные модели электронного потока, которые применяются дляанализа нелинейных и сильно нелинейных явлений в мощныхмноголучевых клистронных усилителях, описаны границы ихприменимости.
Приведен краткий обзор программных комплексов,созданных другими авторами, используемых для расчетов микроволновыхприборов.В последние годы мощные клистронные усилители заняли ведущееместо среди других микроволновых приборов. Отчетливо просматриваетсявозможность дальнейшего увеличения выходной мощности при переходе к9релятивистским напряжениям электронного пучка и при использованииразных типов многолучевых конструкций.Зависимость выходной мощности клистронных усилителей ирелтронов,работающихвнепрерывном(квадрат)иимпульсном (треугольник) режимахот длины волны излучения всантиметровом и дециметровомдиапазонах (в скобках указан годпубликации) представлена на рис.2.Основнымипараметрами,характеризующимимощностьклистронного усилителя, являютсяускоряющее напряжение V0 и токэлектронного потока I 0 .
ОниопределяютмикропервеансРис. 2. Выходная мощность клистронныхэлектронного потока Pµ , знаяусилителей и релтронов в зависимости отвеличинукоторого,можнодлины волны излучения.определить значение КПД прибораη , при оптимально сконструированном клистронном усилителе.Теоретическая зависимость КПД ( η ,%) и экспериментальные данныеэффективности однолучевых имноголучевыхклистронныхусилителейотвеличинымикропервеансаPµна лучэлектронногопотокапредставлены на рис.
3. Она былапостроена автором в 1975 году иопубликована в 1983 г. наоснованииоптимизационныхрасчетов,потребовавшихсозданияпрограммногокомплекса Клистрон – МГУ,Рис. 3. Зависимость КПД η % отпозволившихоценитьмикропервеанса Pµ электронного потока.возможностьполучениямаксимального значения КПД при различных значениях микропервеанса.Экспериментальныеданныесоответствуютклистроннымусилителям (однолучевым и многолучевым), созданным при участииавтора, а также максимальным по КПД клистронным усилителям,разработанным в лабораториях мира.10Долгие годы, вплоть до опубликования сотрудниками НИИ Исток в1993 году работ по многолучевым клистронам, данная зависимость наЗападе считалась не соответствующей физике процессов клистронныхусилителей, однако в настоящее время это наиболее популярнаязависимость КПД от микропервеанса, отображающая реальные физическиепроцессы, протекающие в однолучевых и многолучевых клистронныхусилителях.Зависимость КПД от микропервеанса является основополагающей приразработке и создании мощных узкополосных и широкополосныхклистронных усилителей.
Максимальная эффективность и полосаусиления клистронных усилителей достигаются при значенияхмикропервеанса менее 0,5, и оптимальном выборе длин труб дрейфа,электродинамических характеристик резонаторов и параметров силпространственного заряда электронного пучка - ω P ω и k = α ⋅ v 0 (ω ⋅ rп ) ,где ω P - плазменная частота бесконечно широкого электронного потока. α- решение трансцендентного уравнения для электронного пучка радиуса rпв трубе дрейфа радиуса rт , v 0 - скорость электронного пучка. Параметр αизменяется от 1,2 до 2,0, и его обычно полагают равным 2 в одномерныхмоделях электронного потока, в то время как значение данного параметраиграет важную, если не сказать определяющую роль при сравнительноманализе экспериментальных и теоретических характеристик мощныхприборов.Рис.
4. Схема мощного многорезонаторного (однолучевого илимноголучевого) клистронного усилителя.Мощный клистронный усилитель содержит электронную пушку(однолучевую, либо многолучевую), сложную входную систему, линейныйусилитель, нелинейный группирователь, сложную выходную систему,коллектор и фокусирующую систему (рис. 4).11В зависимости от области применений входная система можетсодержать однозазорный резонатор, двухзазорный резонатор, секциюсвязанных резонаторов, однозазорный или двухзазорный резонатор сфильтровой системой.Линейный усилитель формирует полосу усиливаемых частот итребуемый уровень усиления и состоит из однозазорных или двухзазорныхрезонаторов, настроенных либо на основную частоту, либо её гармоники.Нелинейный группирователь, ответственный за получение высокогозначения КПД прибора и коррекцию его частотной характеристики, можетвключать однозазорные или двухзазорные резонаторы на основнойчастоте, либо ее второй гармонике, резонаторы с внешней нагрузкой инастройками, разнозазорные резонаторы и т.д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
