Диссертация (1102877), страница 8
Текст из файла (страница 8)
2.3. Полость цилиндрического резонатора с треугольной вставкой.На втором этапе моделируется непосредственно взаимодействие пучка круглого сеченияи ленточного пучка с полем резонатора методом «частица в ячейке», который описан в §1.5.2.Для моделирования используется пакет программ CST Particle Studio. На этом этапе вновь измеряется эффективность передачи СВЧ мощности в пучок круглого сечения и ленточный пучок. Измеряется разброс скоростей на выходе из резонатора для обоих пучков. Проводитсясравнительный анализ между цилиндрическим и ленточным пучком.§2.3.
Выбор формы петли связи резонатора для ввода микроволной энергии.Параметры модели резонатора представлены в таблице 2.1.42Таблица 2.1ПараметрОбозначениеЗначениеГеометрические размеры резонатора, мм3V60×60×104Длина пластин резонатора, ммL70Зазор между пластинами резонатора, ммD10Сопротивление волноводного порта, ОмZ050Сопротивление дискретного порта, ОмZ3260В рамках представленной 3D модели резонатора петля связи представляет собой узел согласования низкоомной нагрузки Z 0 волноводного порта и высокоомной нагрузки Z дискретного.
Исследовались согласующие узлы различной формы (Рис. 2.4).Рис.2.4. Согласующие узлы цилиндрического резонатора: I-образный (слева), I-образный с прямоугольной вставкой (в середине), I-образный с треугольной вставкой (справа)Сначала использовалась простая петля связи в виде тонкого цилиндрического стержня.Назовем его I-образный узел согласования. Стержень крепится прямо к краю пластины резонатора по центру.
Как показали результаты моделирования, перемещение стержня вдоль пластины на ±30 мм немного, но все же ухудшает значение параметра S12 (на 1-2 %). Поэтому выборбыл сделан в пользу центрального положения узла относительно пластины (Таблица 2.2).Таблица 2.2Положение узла относительно центральногоположения, мм-3043S11S120,42250,8994Положение узла относительно центральногоS11S12-200,41990,9019-100,41750,904300,41230,9072100,41710,9046200,42050,9018300,42210,8997положения, ммРис.
2.5. S-параметры матрицы рассеяния: а) для I-образного узла, б) для I-образного узлас прямоугольной вставкой.На следующем шаге между петлей связи и пластинами резонатора устанавливался узелсогласования прямоугольной формы, геометрические размеры которого подбирались таким образом, чтобы обеспечить максимум возможного S12 . Моделирование показало (рис.
2.5), чтоподобная конструкция узла позволяет значительно улучшить характеристики резонатора всравнении с узлом в виде тонкого цилиндрического стержня.44Рис. 2.6. S-параметры матрицы рассеяния для I-образного узла с треугольной вставкой.Чтобы еще улучшить значение S12 можно использовать несколько прямоугольников, соединенных друг с другом в ступенчатом порядке, но лучше поступить другим образом и выбрать треугольный узел согласования.
Данный вид узла более технологичен при изготовлениипо сравнению с узлом, состоящим из прямоугольников. После нахождения оптимальных геометрических размеров треугольного узла согласования, характеристики резонатора значительноулучшились (Рис. 2.6).Результаты по моделированию резонатора с различными узлами согласования представлены в сводной таблице 2.3.Таблица 2.3Вид согласующего узлаS11S12КПДI-образный0,4120,9070,822I-образныйс прямоугольной вставкой0,0930,9860,972I-образныйс треугольной вставкой0,0490,9950,990Из таблицы 2.3 видно, что узел с треугольной вставкой позволяет получить лучшие всравнении с остальными узлами значения S-параметров матрицы рассеяния. В итоге для прове45дения дальнейших расчетов выбор был сделан в пользу резонатора с треугольным узлом согласования (Рис. 2.3)..Конструкция цилиндрического резонатора с треугольным узлом согласования выбранатаким образом, чтобы обеспечить резонанс на частоте f = 2,45 ГГц (Рис.
2.5). В результате моделирования установлено, что эффективность энергообмена поперечного поля резонатора сэлектронным пучком может достигать 99 % (Таблица 2.3). Иными словами, в электронный пучок можно передать почти всю мощность входного микроволнового сигнала. КПД энергообмена оценивался как квадрат коэффициента передачи S12 . При этом коэффициент отражения помощности (квадрат коэффициента S11 по амплитуде) составил ≈ 0,25 %. Иными словами, навысшие гармоники электрического поля, возбуждаемые в цилиндрическом резонаторе, приходится менее 1% энергии.Отметим, что результаты моделирования получены без учета тепловых потерь энергииподводимого к цилиндрическому резонатору микроволнового сигнала в металлических стенкахрезонатора.
Очевидно, что наличие потерь приведет к некоторому ухудшению значений КПД.§2.4. Модовый состав и структура мод цилиндрического резонатора.После выбора узла согласования и предварительной оценки эффективности энергообмена поперечного электрического поля резонатора с электронным потоком частотный диапазонбыл расширен до 8 ГГц и были получены собственные и нагруженные частоты f 0 и f L высших мод резонатора. Собственные частоты резонатора – моды резонатора в отсутствии электронного потока, нагруженные частоты – моды резонатора при наличии электронного пучка вламельном зазоре резонатора.
В данном случае в качестве электронного пучка выступает дискретный порт.Рис. 2.7. Модовый состав нагруженного цилиндрического резонатора.46В частотном диапазоне 0-8 ГГц оказалось 5 мод резонатора (Рис. 2.7). После определения резонансных частот были найдены собственные и нагруженные добротности Q0 и QL длямод, которые могут возбуждаться в резонаторе (Таблица 2.4). Аналогично, собственная добротность – это добротность резонатора в отсутствие пучка, а нагруженная добротность – добротность резонатора при наличии электронного пучка (в данном случае в качестве пучка выступаетдискретный порт).Таблица 2.4Модаf 0 , ГГцf L , ГГцQ0QL12,4812,4509793724,5024,5546044636,2506,24813589747,1396,994171913457,9927,9842371160Далее были изучены структуры собственных мод резонатора.
Электрическое поле основной (первой) моды сосредоточено между пластинами (Рис. 2.8) имеет необходимую однородную поперечную структуру (Рис. 2.9), обеспечивающую высокоэффективное преобразование микроволновой энергии в циклотронное вращение пучка.Рис. 2.8. Структура основной моды резонатора на частоте 2,481 ГГц.47Рис. 2.9. Электрическое поле вдоль продольной оси резонаторадля основной моды на частоте 2,481 ГГц.Согласно таблице 2.4 для основной моды резонатора можно рассчитать коэффициент передачи энергии БЦВ во внешнюю нагрузку. Подставляя значения для собственной и нагруженной добротностей основной моды резонатора в выражение (2.7), получим K 0,963 .
Следовательно, с учетом энергообмена поперечного электрического поля с дискретным портом резонатора (99%) на основной моде во внешнюю нагрузку можно передать более 95% энергии микроволнового сигнала.Рис. 2.10. Структуры высших мод резонатора: а) вторая мода на частоте 4,502 ГГц,б) третья мода на частоте 6,250 ГГц, в) четвертая мода на частоте 7,139 ГГц,г) пятая мода на частоте 7,552 ГГц.48Высшие моды резонатора также обладают низкими значениями нагруженной добротности и высокими значениями собственной добротности. Следовательно, коэффициент передачиво внешнюю нагрузку мощности БЦВ, возбуждаемой на необходимой частоте, имеет относительно высокие значения.
Однако в отличие от основной моды, почти все высшие моды резонатора имеют существенно неоднородную структуру (Рис. 2.10-2.11). При такой структуре полейневозможно организовать эффективный энергообмен микроволнового сигнала с БЦВ потока.Вторая мода резонатора по большей части сосредоточена вне пластин резонатора (Рис. 2.10а), ана оси резонатора электрическое поле имеет 3 отчетливых максимума и 2 нулевых минимума(Рис. 2.11а). Третья мода имеет довольно однородную структуру на оси резонатора (Рис.
2.11б).Тем не менее, поле не является поперечным, и существенная его часть расположена вне пластин резонатора (Рис. 2.10б).Рис. 2.11. Электрическое поле вдоль продольной оси резонатора для различных мод: а) втораягармоника на частоте 4,502 ГГц, б) третья гармоника на частоте 6,250 ГГц, в) четвертая гармоника на частоте 7,139 ГГц, г) пятая гармоника на частоте 7,552 ГГц.49Четвертая и пятая мода на оси резонатора имеют ряд максимумов и минимумов(Рис. 2.11в-2.11г). Значительная часть электрических полей мод расположена вне пластин резонатора (Рис. 2.10в-2.10г).Отметим, что моды со второй по пятую отбирают часть мощности входного микроволнового сигнала.
Тем не менее, данная величина не велика и в данном случае на высшие модыприходится не более 1 % мощности входного микроволнового сигнала.§2.5. Взаимодействие электронного пучка с высокочастотным электрическим полем цилиндрического резонатора в однородном магнитном поле.На втором этапе была изучена динамика взаимодействия электронного пучка круглогосечения и ленточного электронного пучка с высокочастотным поперечным полем цилиндрического резонатора методом «частица в ячейке» в условиях циклотронного резонанса (рис. 2.12).Рис.
2.12. Электронный пучок круглого сечения (а) и ленточный электронный пучок (б) в полости цилиндрического резонатора в условиях циклотронного резонанса.Выбиралась та же модель резонатора с треугольным узлом согласования, но теперь ужебез дискретного порта. Вместо него в полость между пластинами резонатора запускался электронный поток. В случае пучка круглого сечения выбирался прямоточный катод круглого сечения, а в случае ленточного пучка – прямоточный прямоугольный катод. Резонатор помещался воднородное продольное магнитное поле B z B0 . Проводилась дополнительная оптимизациягеометрических размеров резонатора, чтобы обеспечить условия циклотронного резонанса.
Согласно рис. 2.12 этого удалось добиться – оба пучка имеют вид прямой линии и вращаются какединое целое. Оптимизация для каждого вида пучка проводилась по отдельности. При этом50геометрические размеры пластин резонатора не изменялись. Оптимизация осуществлялась засчет изменения объема цилиндрических отверстий резонатора Параметры пучков и моделипредставлены в таблице 2.5.Таблица 2.5ЗначениеПараметрОбозначениепучок круглого се-ленточный элек-чениятронный пучокПотенциал пучка, кВU0210Ток пучка, АI00,10,5Первеанс пучка, мкА/В3/2p1,10,5Радиус пучка, ммrb0,8-Сечение пучка, мм2Sb2,0111,25 (1:5)Плотность тока, А/cм2j4,984,44Число частицNp5062Входная мощность пучкаP00,25,0Входная мощность микроволнPвх1,05,0Напряженность магнитного поля, ТлЦиклотронная частота, ГГцB00,0876fс2,45Магнитная экранировка прямоточных катодов отсутствует.
Катоды помещены в то жеоднородное продольное магнитное поле, как и весь резонатор. В обоих случаях в электронныхпучках не возникает сгустков (Рис. 2.12).51Рис. 2.13. Амплитуды входного и отраженного сигнала для электронного пучкакруглого сечения (а, в) и ленточного электронного потока (б, г).Результаты моделирования представлены в таблице 2.6.Таблица 2.6ЗначениеПараметрДлительность переходногопроцесса, нсОбозначениеОтносительный разброс продольных скоростейОтносительный разброс поперечных скоростейОтраженный сигнал микроволн, Втленточный элек-чениятронный пучокt10-12Средняя скорость на выходеиз резонатора, м/спучок круглого се-v4,807 ± 0,0078,905 ± 0,024vz1,21,7v3,65,9Pотр5610052ЗначениеПараметрЭффективность энергообменаОбозначениепучок круглого се-ленточный элек-чениятронный пучок0,9720,990Получен спектр скоростей на выходе из резонатора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
