Нелинейные явления при усилении электромагнитных волн интенсивными электронными потоками в многолучевых микроволновых усилителях (1097764), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Разрешениепротиворечия возможно при переходе к многолучевым потокам, которыемогут быть плоскими и кольцевыми, состоять из отдельных,расположенных рядом или разнесенных на расстояние порядка длины25волны, пучков. На рис. 18 приведены примеры поперечных сеченийраспределенных потоков: 1, 2 – тонкие кольцевые потоки в круглой трубедрейфа и коаксиальном волноводе; 3 – многолучевой пучок; 4 –многолучевой пучок в коаксиальном волноводе; 5 - многоствольный,многолучевой пучок.Электронная нагрузка выходного резонатора зависит от тока пучкаI 0 и в динамическом режимеблизка к проводимости потокапо постоянному току G 0 . Приувеличеннойпроводимостиобеспечиваетсянизкаянагруженнаядобротностьвыходногорезонатора,необходимая для энергообменаРис. 18.
Распределенные интенсивныевширокойполосе.Дляэлектронные потоки.получениявысокогоКПДамплитуда напряжения на зазоре выходного резонатора должна находиться~в пределах Vвых V0 = 1,0-1,2. В широкой рабочей полосе частот трудноосуществить высокоэффективный энергообмен электронного потока иэлектромагнитного поля при помощи одиночного выходного резонатора. Всвязи с этим используются двухзазорные резонаторы, цепочки связанныхрезонаторов или волноводные фильтры. Для практической реализациизачастую наиболее пригодна фильтровая система, которая может состоятьиз активного и пассивного резонаторов и позволяет реализовать полосу до10% с сохранением высоких значений КПД.При разработке широкополосных клистронов полоса усиливаемыхчастот обычно задана и должна быть реализована по возможностименьшим числом резонаторов. В таких приборах зачастую нет четкогоразделения на линейный усилитель и нелинейный группирователь.С увеличением общего числа резонаторов предпоследние из нихмогут быть отстроены далеко за границу полосы с целью полученияоптимального значения их импеданса на всех частотах.
В этом случае онивыполняют функции чисто нелинейного группирователя. Для получениявысоких КПД необходимы, по крайней мере, два отстроенных резонатора.Приведенные рассуждения показывают, что наиболее рациональнойконструкцией широкополосного клистрона с высоким КПД и полосой до5% является шестирезонаторная конструкция, включающая три резонатораусилителя, два резонатора нелинейного группирователя и выходнойрезонатор (рис.
19).Исследования, проведенные различными теоретическими методами,позволили оценить параметры конструкции, рабочую полосу, усиление иуровень выходной мощности четырех-, пяти- и шестирезонаторных26приборов. Они подтвердили, что с целью получения повышенныхзначенийКПДнеобходиморассматривать,преждевсего,шестирезонаторную конструкцию с резонаторами основной частоты.а)б)Рис. 19. Третий тип группирования электронов в клистроне.Исследованияклистронногоусилителясвыходнойэлектродинамической системой в виде трехзвенного фильтра, состоящегоиз активного и двух пассивных проходных резонаторов, показали, что вданной конструкции линейным усилителем являются первые трирезонатора, а четвертый и пятый резонаторы - нелинейныйгруппирователь.В результате проведенных теоретических и экспериментальныхработ (экспериментальные работы проведены И.Г.Артюхом) была созданаконструкцияширокополосногошестирезонаторногоклистронногоусилителя с полосой 2,5% и КПД до 60%.
Настройка прибора на максимумвыходной мощности в точке полосы дала значение КПД в нагрузке 75%.Фокусировка пучка в экспериментальном макете осуществляласьдвухреверсной магнитной системой. Токопрохождение в статическом идинамическом режимах составило соответственно 93% и 77%.Эффекты расслоения в широкополосном клистроне на краях полосыусиления выражены по-разному. На высокочастотном краю полосыусиления они выражены слабо, а на длинноволновом определяют КПДклистрона. В результате проведенных исследований установлена рольнелинейных и пространственных (в приближении расслоения) эффектов наформирование амлитудно-частотной характеристики.Установлено, что уменьшение КПД клистрона при широкополоснойнастройке на длинноволновом краю полосы усиления может бытьобъяснено расслоением электронного потока, возникающим впространстве дрейфа от второго до последнего резонатора.В последние годы весьма актуальными задачами стали разработка исоздание широкополосных (полоса усиливаемых частот до 10 %) исверхширокополосных клистронов (полоса усиливаемых частот более10%).
Такие задачи успешно решаются в содружестве с ИнститутомЭлектроники КАН при участии автора диссертации. Экспериментальные27исследования широкополосных и сверхширокополосных клистроновпроводятся в Институте Электроники Академии наук Китая, атеоретические исследования в МГУ им.
М.В. Ломоносова.Результатгруппированияэлектроноввширокополосномклистронном усилителе можно увидеть на зависимости амплитуд первойI1 I 0 и второй I 2 I 0 гармоник тока и КПД - η от продольной координатыz . При получении равномерной выходной характеристики эти зависимостиимеют примерно одинаковое амплитудное значение, что говорит обаналогичном характере группирования электронов практически во всехточках полосы.Рис. 20. Амплитуды первой I1 I 0 и второй I 2 I 0 гармоник тока иКПД η на частоте f = 1,185 ГГц.В качестве примера приведены результаты исследованияширокополосного клистрона с полосой 10%. Анализ поведения амплитудпервой I1 I 0 и второй I 2 I 0 гармоник тока и КПД η на частотах f = 1,25ГГц (центральная частота) и f = 1,335 ГГц показал, что характер ихповедения на центральной частоте и на частоте находящейся с правогокрая полосы усиления, практически совпадают.
В то же время характерповедения гармоник тока на частоте f = 1,185 ГГц, находящейся с левогокрая полосы усиления (рис. 20), отличается от характера поведениягармоник тока на центральной частоте и на частоте, находящейся с правогокрая полосы усиления.Для выяснения причины такого различия был проведен анализтокопрохождения электронного пучка в трубе дрейфа.Он показал, что при работе клистронного усилителя на центральнойчастоте f = 1,25 ГГц (рис.
21) и на частотах выше ее ( f = 1,335 ГГц),осаждение электронного пучка в выходном резонаторе не наблюдается,однако на этих частотах происходит заметное увеличение пульсаций пучкапо радиусу, а также увеличение радиуса пучка после шестого резонатора.На рис. 22 представлена картина токопрохождения на левом краюполосы усиления на частоте f = 1,185 ГГц.
Видно, что коэффициентзаполнения пучка равен ~ 0,5, пучок имеет малые пульсации, увеличениерадиуса пучка наблюдается в области выходного резонатора и после негопроисходит осаждение пучка на трубу дрейфа, что и является причинойразличия в характере поведения амплитуд гармоник тока.28В отсутствие в приборе токооседания электронного пучкарезультаты расчета по одномерной и двумерной моделям практическисовпадают, что говорит о соответствии физики модельного подхода припереходе к программным комплексам повышенной сложности.Рис. 21.
Картина токопрохождения в центре полосы усиления.Таким образом, расчеты сверхширокополосного прибора показаливозможность реализации полосы усиления клистрона 14% приэлектронном КПД около 50%. В настоящее время клистроны с полосой8%, 10% и 12% реализованы в Институте Электроники КАН.Рис. 22. Картина токопрохождения на левом краю полосы усиления начастоте f = 1,185 ГГц.Исследованныефизическиепринципыгруппированияиэнергообмена в клистронных усилителях были распространены на областьрелятивистских уровней напряжений и токов электронного пучка.В пятой главе приведены результаты теоретических иэкспериментальных исследований физических процессов в многолучевомрелятивистском генераторе и клистронных усилителях НМ, КМТ 1 и КМТ3, разработанных под руководством автора.Рассмотрены особенности высокоэффективного взаимодействия прирелятивистских скоростях электронов.
Увеличение ускоряющегонапряжения V0 влияет на характер модуляции и процесс группированияэлектронного потока.Релятивистские электронные потоки в основном кольцевые.Увеличение напряжений и токов пучка автоматически приводит кувеличению поперечных размеров как электронного потока, так иэлектродинамической системы устройств. С другой стороны, повышениеускоряющего напряжения соответствует увеличению общей длиныустройств(пропорциональноγ2 ,гдеγ = 1 + V0 [MВ] / 0,51129релятивистский фактор Лоренца),формирования электронного потока.чтоможетусложнитьсистемуРассмотрим, например, заряженный диск радиуса r и толщиной D ,который пролетает через трубу дрейфа релятивистского клистронногоусилителя с постоянной скоростью. Подобная «группа зарядов» оченьчастоиспользуетсяпримоделированииявленийнелинейного взаимодействия врелятивистскихклистронныхусилителях.
Полагая, что поляизлучения не возбуждаются,проанализируемрезультатывычисления увлекаемых полейдля нерелятивистского случая,когда заряженный диск имееткинетическую энергию 10 кВ(левая часть рис. 23), ирелятивистского случая, когдакинетическая энергия пучка 1 МВ(правая часть рис. 23).На рис. 23а приведеныэквипотенциальные линии φкулоновскогополя,возбуждаемогоэлектроннымРис. 23. Нерелятивистский исгустком.Нарис.23брелятивистский сгусток в трубе дрейфа иизображенысиловыелинииэлектромагнитные поля имrсоответствующие.кулоновского поля E q . Силовыелинии потенциальной части увлекаемых полей не зависят от скоростидвижения сгустка и аналогичнысиловым линиям покоящихся зарядов.rОбласть локализации E q определяется радиусом действия кулоновскихсил rq = rт µ 01 , где rт - радиус трубы дрейфа, а µ 01 - первый кореньфункции Бесселя J 0 (µ 01 ) = 0.rВ отличие от потенциального кулоновского поля E q , вихревое полесодержит обе компоненты: электрическую {E cr ,0, E cz } и магнитную{0, Hϕ ,0} .
На рис. 23в представлены силовые линии электрическойкомпоненты вихревого поля, а на рис. 23д – линии уровней магнитногополя. Как видно, вихревое поле зависит от скорости движения зарядов, но,тем не менее, радиус локализации остается равным rq .линии сгустка для полного электрическогополяrrrСиловыеrE w = E q + E c показаны на рис. 23г. Радиус локализации поля E w зависит30от скорости движения электронов и равен rq γ , т. е. он уменьшается в γраз по сравнению с радиусом действия кулоновских сил.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
