Повышение эффективности многолучевых микроволновых генераторов с многозазорными резонаторами
На правах рукописи
Акафьева Наталья Александровна
Повышение эффективности многолучевых микроволновых генераторов с многозазорными резонаторами
Специальность 05.27.02 – Вакуумная и плазменная электроника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор, Царев Владислав Алексеевич- |
| Официальные оппоненты: | Фурсаев Михаил Александрович – доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., профессор по кафедре «Электротехника и электроника» Архипов Данила Алексеевич – кандидат технических наук, начальник тематического отдела НПЦ «Электронные системы» ОАО «НПП «Алмаз», г. Саратов |
| Ведущая организация: | СФ ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН (г. Саратов) |
Защита состоится «20» июня 2012 г. в 13:00 часов на заседании дис-сертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский госу-дарственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу:
410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 2, ауд. 212.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
Автореферат разослан «18» мая 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Димитрюк А.А.
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Одной из актуальных проблем современной вакуумной СВЧ-электроники является создание высокоэффективных, малогабаритных и простых по конструкции источников СВЧ-энергии малых, средних и высоких уровней мощности, работающих в разных частотных диапазонах. Такие устройства могут найти применение в радиолокации, ускорительной технике, в радиоаппаратуре космического базирования (например, в системах передачи солнечной энергии на Землю), в наземных системах передачи энергии СВЧ на расстояние, а также в установках промышленного нагрева. Существующие генераторные СВЧ-приборы среднего и большого уровней выходной мощности с термоэмиссионными катодами имеют большие углы пролета через пространство взаимодействия, например, ЛБВ, многорезонаторный клистрон и их гибриды. Поэтому они не в полной мере удовлетворяют современным требованиям из-за больших массы и габаритов. Магнетронные генераторы большой мощности имеют ограниченный срок службы.
В связи с этим в последнее время, благодаря работам многих отечественных ученых (Д.И. Трубецкова, В.П. Панова, В.А. Солнцева, В.К. Федяева, А.В. Галдецкого и др.), а также зарубежных ученых (J.J. Barroso, K.G. Kostov и др.), значительно возрос интерес к приборам СВЧ, имеющим средние углы пролета через электродинамическую систему, таким как монотрон, генератор тормозящего поля (ГТП), отражательный клистрон, низковольтный виркатор, клистрод. Однако в однолучевом исполнении и при использовании классических однозазорных резонаторов эти приборы обладают такими недостатками, как низкий КПД (1-5%) и малый уровень выходной мощности. Исключение составляет лишь клистрод, позволяющий получить большой уровень выходной мощности при высоком КПД (60-70%). Однако верхняя частотная граница применения клистродов пока не превышает 1.3 ГГц.
Поэтому актуальными проблемами при создании высокоэффективных СВЧ-приборов со средними углами пролета являются повышение КПД, увеличение выходной мощности, а также расширение диапазона рабочих частот. Этого можно достигнуть за счет перехода от однозазорных резонаторов к многозазорным, а также за счет применения пространственно-развитых электронно-оптических систем (с многолучевыми, ленточными и полыми электронными потоками). Для создания новых приборов, работающих в коротковолновой части микроволнового диапазона, целесообразен переход от термоэмиссионных источников электронов к автоэмиссионным с усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии.
Разработка таких приборов является следствием появления новых запросов практики, которые требуют выхода за пределы полученных знаний, так как до настоящего времени многолучевые приборы с резонаторами распределенного взаимодействия, такие как монотроны, отражательные клистроны, низковольтные виркаторы, мало исследованы, как теоретически, так и экспериментально.
Актуальность настоящей работы в научном аспекте определяется тем, что электродинамические характеристики многоканальных многозазорных резонаторных систем (РС) недостаточно исследованы: не изучены особенности взаимодействия пространственно-развитых электронных потоков с РС; не найдены оптимальные условия взаимодействия, требуемые для получения высокого электронного КПД; не изучено влияние электродинамических характеристик РС на выходные характеристики резонансных автогенераторов с распределенным взаимодействием при работе с термо- и автоэмиссионными катодами в различных частях микроволнового диапазона.
Актуальность темы в прикладном аспекте определяется тем, что создание новых малогабаритных, высокоэффективных источников СВЧ-энергии требует новых конструктивных решений как прибора в целом, так и отдельных его узлов; новые знания, полученные в диссертационной работе, будут использованы в учебных программах по специальности «Электронные приборы и устройства» и направлению «Электроника и наноэлектроника».
Целью диссертационной работы является исследование физических процессов обмена энергией между электронным потоком и ВЧ электрическим полем в простых по принципу взаимодействия и конструкции мощных многолучевых СВЧ-генераторах с многозазорными резонаторами и источниками тока на основе термо- и автоэмиссионных катодов; нахождение оптимальных параметров, обеспечивающих наибольший электронный КПД и выходную мощность в разных частотных диапазонах.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- проведение аналитического обзора современного состояния исследований в области разработок мощных генераторов СВЧ для разных практических приложений;
- разработка методики численно-аналитического моделирования электродинамических характеристик многозазорных резонансных систем монотронов (и других многолучевых приборов со средними углами пролета) с учетом особенностей взаимодействия электронов с ВЧ-полем при одновременном возбуждении РС на противофазном и высшем синфазных типах колебаний;
- численное моделирование нелинейной динамики электронного потока в многозазорных резонансных системах монотронов с неоднородным распределением ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия с учетом поля объемного заряда;
- получение рекомендаций по выбору параметров и конструкции резонансных систем, а также параметров электронного потока, обеспечивающих максимальный электронный КПД мощных монотронных генераторов с трех- и четырехзазорными резонаторами при работе в длинноволновом и в средневолновом диапазонах длин волн;
- выработка рекомендаций, необходимых для создания электронно-оптических систем многолучевых генераторов и выбора основных элементов конструкций новых автогенераторов СВЧ с термо- и автоэмиссионными катодами.
Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:
1. Найдены необходимые для получения высокого электронного КПД функции распределения ВЧ электрического поля в многолучевых монотронах; и предложены конструкции многозазорных резонансных систем, реализующие найденные закономерности.
2. Установлено, что на частоте 2450 МГц максимальный электронный КПД (около 50%) многолучевого монотрона с трехзазорным резонатором на 2-виде колебаний достигается на второй зоне генерации (при равных длинах зазоров и втулок и нарастающей по ходу движения электронов амплитуды ВЧ-поля) для режимов, соответствующих областям углов пролета с максимальным отрицательным значением электронной шунтирующей проводимости.
3. Показано, что максимальный электронный КПД (до 57%) на частоте 2450 МГц в четырехзазорном резонаторе с оптимальным распределением поля на 2-виде колебаний при равных длинах зазоров и втулок достигается на третьей зоне генерации, соответствующей области с максимальным отрицательным значением электронной шунтирующей проводимости.
4. Показано, что в многолучевом монотроне с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на частоте 430 МГц на -виде колебаний (при оптимальном распределении ВЧ электрического поля в зазорах), может быть достигнут электронный КПД до 55% (при подводимой мощности до 5-6 кВт и микропервеансе не более 0,3 мкА/В3/2) при более низких ускоряющих напряжениях по сравнению с режимом на 2-виде колебаний.
5. Экспериментально подтверждено, что в модифицированной схеме ГТП с двухзазорным резонатором, возбуждаемым на кратных резонансных частотах (при несинусоидальной скоростной модуляции), электронный КПД может достигать 30%, что примерно в 10 раз больше, чем в обычном отражательном клистроне. Этот режим может быть использован для построения простых по конструкции и малогабаритных многолучевых генераторов и умножителей частоты с термо- и автоэмиссионными катодами и электронной перестройкой частоты.
6. Экспериментально установлено, что в предложенной схеме низковольтного виркатора при работе в классе «В» можно получить (в отличие от классической схемы отражательного клистрона) на 30% более высокий электронный КПД. Это достигается за счет предварительной модуляции электронного потока по плотности в области первого виртуального катода и её дальнейшего усиления в области второго виртуального катода.
Достоверность полученных результатов обеспечивается построением адекватных математических моделей на основе фундаментальных исходных уравнений вакуумной СВЧ-электроники и законов электродинамики, корректностью упрощающих предположений, соответствием результатов расчета и решений тестовых задач, а также соответствием расчетных и экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной аппаратуры.
Практическая значимость состоит в следующем:
- Получены рекомендации для выбора оптимальных параметров многозазорных резонаторов многолучевых монотронов:
- для трехзазорного резонатора при синфазном возбуждении, работающего на частоте 2.45 ГГц с выходной непрерывной мощностью 40 кВт и электронным КПД 49%;
- для четырехзазорного резонатора при синфазном возбуждении, работающего на частоте 2.45 ГГц с выходной непрерывной мощностью 50 кВт и электронным КПД 57%;
- для четырехзазорного резонатора при противофазном возбуждении, работающего на частоте 430 МГц с выходной непрерывной мощностью 5 кВт и электронным КПД 55%.
2. Получены рекомендации для выбора параметров режимов работы (первеанс одного луча и величины ускоряющего напряжения), необходимые для самовозбуждения генераторов на многозазорных резонаторах с минимальным пусковым током.
3. На основе предложенных конструктивных схем построения автогенераторов с несинусоидальной скоростной модуляцией и автоэмиссионными катодами (с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии с отражательного электрода, введенного в объем двухзазорного резонатора), могут быть созданы новые типы многолучевых малогабаритных генераторов, перспективные для работы в коротковолновой части микроволнового диапазона.
4. Выполнено проектирование 14-лучевого четырехзазорного монотронного генератора на выходную мощность 50 кВт с электронным КПД 57 % на длине волны 12.24 см с ускоряющим напряжением 13.3 кВ и общим током 6.16 A.
Реализация результатов работы
Результаты работы и практические рекомендации по проектированию многолучевого генератора монотронного типа переданы в ОАО «НПП «Контакт», г. Саратов для изготовления опытных образцов 14-лучевого четырехзазорного монотронного генератора. Результаты используются в учебном процессе на кафедре «Электронные приборы и устройства» СГТУ им. Гагарина Ю.А. при чтении лекционных курсов в рамках дисциплин «Микроволновые приборы и устройства», «Новые типы электровакуумных приборов», а также при курсовом и дипломном проектировании бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».
Материалы, приведенные в работе, использованы при выполнении НИОКР по теме «Разработка основных принципов построения нового типа прибора - мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором»», выполненной в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.), 2009 г., гос. рег. № 01200952472.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Предложенные конструкции электродинамических систем многолучевых монотронов, выполненных на основе трех- и четырехзазорных многоканальных резонаторов, обеспечивают (на 2-виде колебаний) требуемые для достижения высокого электронного КПД электродинамические параметры и нарастающее распределение ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия.
2. Максимальные значения электронного КПД и выходной мощности многолучевых монотронов с трех- и четырехзазорными резонаторами на 2-виде колебаний достигаются при относительных амплитудах ВЧ-напряжения на резонаторе, не превышающих значения 2, соответственно, при углах пролета 4.3 и 5.8.
3. На основе предложенных конструктивных схем построения автогенераторов с несинусоидальной скоростной модуляцией и матричными автоэмиссионными катодами с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии и введения отражательного электрода в объем резонатора, могут быть созданы новые типы высокоэффективных многолучевых малогабаритных генераторов для коротковолновой части микроволнового диапазона длин волн.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5 конференциях: Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2006, 2008, 2010); ХХI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009); научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2009); Международной научно-технической конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина, 2011).
Получено положительное решение на выдачу патента на изобретение: В.А. Царев, Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко «СВЧ-генератор с матричным автоэмиссионным катодом с отражением электронного потока» заявка №2011104833 от 09.02.2011, решение о выдаче патента 21.02.2012.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них две статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получено положительное решение на выдачу патента на изобретение. Заявка на изобретение: Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев «Мощный СВЧ-генератор монотронного типа» № 2011133860 от 11.08.2011 проходит экспертизу по существу.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 137 страниц, включая 4 таблицы, 98 рисунков, 46 формул, список использованной литературы состоит из 68 наименований.
Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты всех расчётов получены автором самостоятельно, кроме того, в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов и формулировке выводов, составляющих основу публикаций.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дается общая характеристика работы: обосновывается актуальность проведённых исследований, сформулированы научная новизна и практическая значимость результатов, указаны апробация и публикации основных результатов, перечень основных положений, выносимых на защиту диссертации.
Первая глава представляет собой обзор литературы современного состояния в области разработок мощных СВЧ-генераторов со средним углом пролета через пространство взаимодействия. Для разных практических приложений анализируются возможности создания на новой конструктивной базе (многолучевые электронно-оптические системы, резонаторы распределенного взаимодействия) различных типов классических приборов: монотронов, отражательных клистронов, виркаторов, ГТП. Отмечается связь параметров резонаторов с выходными параметрами приборов для различных частотных диапазонов.
Наибольший практический интерес, например, для СВЧ-нагрева и передачи энергии на расстояние, представляет создание мощных монотронных генераторов с выходной мощностью от 5 до 50 кВт и электронным КПД не менее 50%.
Обзор литературы показывает, что ранее исследовались только конструкции пролетных многолучевых монотронов с двухзазорной электродинамической системой с неоднородным полем в пространстве взаимодействия. Для создания более эффективных многолучевых монотронов (с КПД более 50%) требуется переход к конструкциям с использованием трех- и четырехзазорных резонаторов с неоднородным полем. Однако для таких систем не исследованы условия самовозбуждения на синфазном и противофазном видах колебаний; не найдены оптимальные параметры нелинейного взаимодействия электронного потока с ВЧ электрическим полем.
Отсутствуют рекомендации по выбору оптимальных конструкций резонаторов и режимов работы для улучшения выходных характеристик СВЧ-приборов с автоэмиссионными источниками электронов с отражением электронного потока, таких как низковольтный виркатор, ГТП, отражательный клистрон. В коротковолновой части микроволнового диапазона не исследованы режимы работы, обеспечивающие получение от таких генераторов повышенной выходной мощности и электронного КПД. По результатам проведенного анализа сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.
Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке методики численно-аналитического моделирования электродинамических характеристик многозазорных резонансных систем монотронов и других многолучевых приборов со средними углами пролета, при работе на противофазном и высшем синфазных типах колебаний.
Электродинамические системы многолучевых монотронов с высоким электронным КПД, выполненные на основе трех- и четырехзазорных резонаторов, должны обеспечивать оптимальное распределение ВЧ электрического поля, при котором амплитуда этого поля в начальной области взаимодействия резонатора (входной зазор) должна быть значительно меньше напряженности поля в области отбора энергии (выходной зазор) от электронного пучка.
Для определения электродинамических параметров рассматриваемых резонансных систем, таких как резонансная частота f, характеристическое сопротивление, собственная добротность Q0, использовались как аналитические, так и численные методы (метод эквивалентных длинных линий, нагруженных на емкости зазоров, а также (там, где это необходимо) 2D- и 3D- методы моделирования.
При выборе конструкции резонансных систем ориентировались:
- на реализацию неоднородного распределения электрического поля в электродинамической системе;
- на хорошее разделение частот рабочего и высших видов колебаний, чтобы исключить срыв генерации;
-на получение повышенного характеристического сопротивления и добротности.
В процессе выполнения работы были предложены следующие конструкции электродинамических систем, соответствующие указанным выше требованиям: трех- и четырехзазорный резонаторы на синфазном виде колебаний с распределением поля на зазорах, близким к трех- и четырехрезонаторным клистронам (рис. 1-2), а также четырехзазорный резонатор на противофазном виде колебаний (рис. 3).
Представленная на рис. 1,а конструкция резонансной системы РС имеет следующие параметры: частота 2450 МГц, рабочий вид – синфазный высший вид колебаний, характеристическое сопротивление – 51 Ом, собственная добротность - 3736, h/ =0.76, число каналов – 14, диаметр канала – 3 мм, радиус S =25.5 мм.
Представленная на рис. 2,а конструкция четырехзазорного резонатора имеет следующие параметры: частота 2450 МГц, рабочий вид – синфазный высший вид колебаний, характеристическое сопротивление – 83 Ом, собственная добротность - 3741, h/ =1.037, число лучей – 14, диаметр канала – 3 мм, радиус S =25.5 мм.
Показанная на рис. 3,а конструкция РС имеет следующие параметры: частота 430 МГц, рабочий вид – противофазный вид колебаний, характеристическое сопротивление – 17.85 Ом, собственная добротность - 1492, h/ =0.154.
Четырехзазорный резонатор, возбуждаемый на противофазном виде колебаний, с частотой 430 МГц имеет более короткие длины пространства взаимодействия и может быть использован в дециметровом диапазоне.
Для продвижения в коротковолновую часть микроволнового диапазона целесообразно рассмотреть возможность применения других типов генераторов с распределенным характером взаимодействия, например, таких как ГТП с автоэмиссионными катодами.
Для такого прибора впервые была исследована возможность применения двухзазорного 19-канального резонатора с кратными частотами при диаметре одного канала 2а=0.84 мм. Основной резонансной модой в такой РС является противофазный ТЕМ-вид колебаний, возбуждаемый в четвертьволновой полосковой резонансной линии, нагруженной на емкость двойного зазора. Внешний диаметр пролетной трубы Dn определяется из соотношения
(1)
где 
с - длина волны синфазного вида колебаний; Nb – количество пролетных каналов.
Синфазный (Е010) вид колебаний является в данной конструкции резонатора высшим типом колебаний. Частота этого вида колебаний зависит от диаметра резонатора и его высоты. При высоте резонатора Н=22 мм достигается кратность частот, равная двум (
п/
с=2, где 
п- длина волны противофазного вида колебаний, п=12.24 см).
На рис. 4, 5 приведена конструкция двухзазорного резонатора ГТП.
 |  |  |
| Рис. 4. Конструкция двухзазорного резонатора ГТП с МАЭК: 1 – каналы для электронного потока; 2 – центральная пролетная труба; 3 – отражатель; 4 – блокировочная емкость | а) б) Рис. 5. Распределение ВЧ электрического поля в двухзазорном резонаторе ГТП с МАЭК: а – с противофазным; б – с синфазным видами колебаний | |
Как показывают результаты эксперимента, приведенные в главе 3, использование двухзазорного резонатора, настроенного одновременно на две частоты, позволяет повысить электронный КПД ГТП до 30 % за счёт несинусоидальной модуляции электронного потока.
В третьей главе приведены результаты численно-аналитического моделирования многолучевых монотронных автогенераторов с многозазорными резонаторами.
На начальном этапе для исследуемых электродинамических структур были определены зависимости нелинейных значений коэффициента электронного взаимодействия - М, активной составляющей проводимости электронной нагрузки - Ge, от изменения невозмущенного угла пролета – пространства взаимодействия
, (2)
где 
- постоянная распространения (
, 
- круговая частота, 
- скорость электронного потока); N – количество зазоров; d - расстояние между торцами пролетных труб (длина зазора); L – длина втулки.
Методика расчета в нелинейном режиме электронных параметров резонатора, таких как коэффициент эффективности взаимодействия 
и активная составляющая проводимости электронной нагрузки 
представлена ниже.
Для вычисления М бессеточного одиночного зазора с погрешностью не более 1% использовалось аппроксимирующее выражение, не содержащее функции Бесселя:
, (3)
где а - внутренний радиус пролетной трубы; b –радиус электронного потока.
Далее рассчитывался угол пролета 
для эквивалентного зазора с сетками, при условии, что коэффициент электронного взаимодействия этого зазора равен коэффициенту взаимодействия зазора без сеток М.
. (4)
С учетом того, что в нелинейном режиме М и Ge/G0 зависят от коэффициента использования напряжения на зазоре резонатора - N (N=UзN/U0, где N –номер зазора, UзN –напряжение на соответствующем зазоре), по заданным N определялись нелинейные значения коэффициента взаимодействия МN(N) по следующей приближенной формуле:
. (5)
По усредненной величине МN(N) по количеству зазоров – Мср определялся угол пролета эквивалентного сеточного зазора в нелинейном режиме
. (6)
С использованием значений углов пролета вычисленных по (6), определялась величина нелинейного коэффициента взаимодействия многозазорного резонатора Мнел, возбуждаемого на синфазном или противофазном видах колебаний.
, (7)
. (8)
Относительная активная составляющая электронной проводимости в нелинейном режиме вычислялась по известной формуле
. (9)
Проведенные аналитические расчеты электронных параметров, результаты которых показаны на рис. 6, 7, показывают, что с увеличением числа зазоров максимальное значение относительной электронной проводимости по модулю возрастает. Следовательно, облегчаются условия самовозбуждения генератора.
| Рис. 6. Зависимость относительной активной составляющей электронной проводимости (Gе нел/G0) от угла пролета для разного числа зазоров в монотронах с резонаторами, возбуждаемыми на 2-виде колебаний: 1 – двухзазорный; 2 – трехзазорный; 3 – четырехзазорный | Рис. 7. Зависимости коэффициента взаимодействия (Мнел синф) – 1 и относительной электронной проводимости (Gе нел/G0) - 2, от ускоряющего напряжения для оптимального распределения поля в трех - ( ) и четырехзазорных ( ) резонаторах |
Полученные результаты служили исходными данными для дальнейшего численного моделирования нелинейной динамики электронного потока в многозазорных резонансных системах монотронов с неоднородным распределением ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия с учетом поля объемного заряда с помощью дисковой модели клистрона.
На рис. 8 представлены результаты численных расчетов зависимостей относительной амплитуды первой гармоники конвекционного тока (
) и электронного КПД от ускоряющего напряжения в монотронах с трех- и четырехзазорными резонаторами для режимов работы, соответствующих максимальным значениям отрицательной электронной проводимости.
Результаты численных экспериментов (рис. 1,б и 2,б) показывают, что для оптимально нарастающей функции распределения ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия для трех- и четырехзазорных резонаторов, работающих на 2-виде колебаний, максимумы относительной амплитуды первой гармоники конвекционного тока 1.61 и 1.67 достигаются при 
для соответствующих значений ускоряющих напряжений 11.7 и 13.3 кВ.
| Установлено, что максимальное значение электронного КПД, которое может быть получено в исследуемых монотронных генераторах с трех- и четырех-зазорными резонаторами, воз-буждаемыми на синфазных видах колебаний, при оптимально подобранной (нарастающей) функции распределения поля составляет 49% и 57% соответственно, а для монотрона с четырехзазорным резонатором, работающем на противофазном виде колебаний – около 55%. |  Рис. 8. Зависимости относительной амплитуды первой гармоники конвекционного тока,  ( ) и электронного КПД, e ( ) от ускоряющего напряжения в монотронах с трех- (1) и четырехзазорными (2) резонаторами |
Рассмотрены также альтернативные варианты создания высокоэффективных мощных СВЧ-приборов со средними углами - многолучевого низковольтного виркатора с предмодуляцией электронного потока. Схема этого прибора представлена на рис. 9. При работе устройства образуются два виртуальных катода (ВК). От первого ВК во входной области прибора электроны могут быть отобраны в выходную область второго ВК, так же, как от термокатода в обычных СВЧ-триодах и в гибридных приборах – клистродах. Это подтверждается статическими анодно-сеточными характеристиками, снятыми экспериментально с одной ячейки опытного макета многолучевого низковольтного виркатора (рис. 10).
 Рис. 9. Схема низковольтного виркатора: 1 – катод; 2 – первый анод; 3 – корпус резонатора (второй анод); 4 – первая сетка; 5 – отражатель; 6 – вторая сетка; 7 – блокировочная емкость; 8 – узкополосный вывод энергии |  Рис. 10. Семейство статических анодно-сеточных характеристик прибора: 1 – Ua1 = Uc2 = 90 B; 2 – Ua1 = Uc2 = 114 B; 3 – Ua1 = Uc2 = 144 B; 4 – Ua1 = Uc2 = 180 B; 5 – Ua1 = Uc2 = 216 B |
Показано, что при работе в классе «В» можно получить на 15-20% более высокий электронный КПД, чем в схеме обычного низковольтного виркатора, за счет предварительной модуляции электронного потока по плотности в области первого виртуального катода и её дальнейшего усиления в области второго виртуального катода, расположенного между анодом и отражателем. Показано, что при разных частотах колебаний двух виртуальных катодов наблюдается генерация широкого набора узкополосных спектров. При совпадении этих частот, что достигается введением положительной обратной связи, наблюдается узкополосная генерация с электронным КПД около 30%. Исследован эффект электронной перестройки частоты за счет изменения напряжения на управляющей сетке и напряжения на втором аноде.
Результаты проведенных экспериментов подтверждают, что предложенная схема прибора с двумя виртуальными катодами может быть весьма перспективной. На ее основе могут быть разработаны мощные многолучевые генераторы с КПД 30-40%, которые отличаются от монотронов возможностью электрического управления частотой, уровнем выходного сигнала и его спектральным составом, включая режим генерации шума.
Рассмотрены пути повышения электронного КПД и уровня выходной мощности в приборах со средними углами пролета (ГТП и отражательного клистрона) за счёт реализации режима несинусоидальной модуляции. Проведены экспериментальные исследования ГТП с одним двухзазорным резонатором и термоэлектронным катодом. Экспериментально показано, что при несинусоидальной скоростной модуляции в модифицированной схеме ГТП с двухзазорным резонатором электронный КПД может достигать 30%, что примерно в 10 раз больше, чем в обычном отражательном клистроне.
В четвертой главе изложены рекомендации по выбору оптимальной конструкции многолучевых монотронов с трех- и четырехзазорными резонаторами, работающих в длинноволной и в 10-см частях диапазона длин волн. Для этих приборов рассмотрены особенности конструктивного исполнения вывода энергии и коллектора. Определены конструктивные параметры электронной пушки, обеспечивающей формирование парциального пучка с микропервеансом 0.286 мкА/В3/2 при ускоряющих напряжениях 11.7 и 13.3 кВ и коэффициенте заполнения пролетного канала 
. Электронно-оптическая система прибора содержит 14 парциальных пушек. Проведены оценки уровня выходной мощности в разработанных приборах. Установлено, что многолучевые монотронные генераторы целесообразно применять на частотах выше 1 ГГц. При этом они могут конкурировать с многолучевыми клистронами, т.к. на частоте 2450 МГц электронный КПД приборов с четырехзазорным резонатором может достигать 60% при выходной мощности около 50 кВт, а с трехзазорным – 50% и 40 кВт.
Предложена новая конструкция ГТП для работы в коротковолновой части микроволнового диапазона. В приборе вместо термоэмиссионного источника электронов используется матричный автоэмиссионный катод с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии с отражательного электрода, введенного в объем двухзазорного резонатора, выполненного с возможностью возбуждения на двух кратных рабочих частотах (рис. 11).
| 1 - система матричных автоэмиссионных катодов; 2 - ускоряющий электрод; 3 - отверстия для пролета первичного электронного потока; 4 - первый сеточный электрод; 5 – объемный резонатор; 6-устройство связи с внешней нагрузкой на основной частоте; 7 - внутренний проводник; 8 - второй сеточный электрод, 9 – отражатель; 10 - вторично-эмиссионное покрытие; 11 - блокировочная емкость; 12 - третий источник питания; 13 - емкостной элемент настройки; 14 - второй источник питания, 15 - первый источник питания; 16- устройство связи с внешней нагрузкой на второй гармонике |  Рис. 11. Конструкция ГТП |
В приборе за счёт использования вместо однозазорного резонатора двухзазорного увеличивается эффективное характеристическое сопротивление последнего в 2-3 раза, а, следовательно, обеспечивается получение более высокой эффективности взаимодействия электронного потока с полем электромагнитной волны на кратных частотах. Даны рекомендации для построения простых по конструкции и малогабаритных многолучевых генераторов и умножителей частоты на основе ГТП с матричным автоэмиссионным катодом.
Основные результаты работы
В результате проведенных расчетов и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача по улучшению выходных параметров многолучевых микроволновых генераторов с многозазорными резонаторами.
1. Разработана методика численно-аналитического моделирования электродинамических характеристик многозазорных резонансных систем монотронов и других многолучевых генераторов со средними углами пролета, позволяющая оперативно выбрать режим работы на противофазном и высшем синфазных типах колебаний.
2. Предложены конструкции электродинамических систем монотронных генераторов с неоднородным распределением электрического поля в резонаторах (с оптимальным соотношением амплитуд нормированной напряженности электрического поля в пространстве взаимодействия, при котором она нарастает по направлению к выходному зазору), с повышенным характеристическим сопротивлением и добротностью и хорошим разделением частот рабочего и высших видов колебаний:
- трехзазорный резонатор имеет следующие параметры: частота 2450 МГц, рабочий вид – синфазный высший вид колебаний, характеристическое сопротивление – 51 Ом, собственная добротность - 3736, h/ =0.76, число каналов – 14, диаметр канала – 3 мм, радиус S =25.5 мм;
- четырехзазорный резонатор имеет параметры: частота 2450 МГц, рабочий вид – синфазный высший вид колебаний, характеристическое сопротивление – 83 Ом, собственная добротность - 3741, h/ =1.037, число каналов – 14, диаметр канала – 3 мм, радиус S=25.5 мм;
- четырехзазорный резонатор - частота 430 МГц, рабочий вид – противофазный вид колебаний, характеристическое сопротивление – 17.85 Ом, собственная добротность - 1492, h/ =0.154.
3. Теоретически и экспериментально показана возможность создания многоканального двухзазорного резонатора с кратными частотами синфазного и противофазного видов колебаний (
) для ГТП с МАЭК. Повышение КПД этих приборов достигается за счет несинусоидальной модуляции.
4. Проведено численное моделирование нелинейной динамики электронного потока в многозазорных резонансных системах монотронов с неоднородным распределением ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия с учетом поля объемного заряда с помощью дисковой модели клистрона.
При этом установлено, что в предложенных конструкциях мощных монотронных генераторов с пространственно-развитыми электронными потоками при суммарном микропервеансе около 4 мкА/В3/2 возможно получение на частоте 2.45 ГГц следующих значений электронного КПД и выходной мощности:
- 49% и 40 кВт для приборов с трехзазорным резонатором при работе на 2-виде колебаний;
- 57% и 50 кВт для приборов с четырехзазорным резонатором при работе на 2-виде колебаний;
- 55% и 5 кВт для генератора с четырехзазорным резонатором при работе на -виде колебаний на частоте 430 МГц.
5. Выявлено, что предельные, близкие к многорезонаторному клистрону, значения электронного КПД в многолучевых монотронах с трехзазорным (около 50%) и четырехзазорным (около 60%) резонаторами обеспечиваются на синфазном виде колебаний при нелинейном режиме взаимодействия с коэффициентом использования напряжения <2.0.
6. Предложены рекомендации по выбору оптимальной конструкции многолучевых монотронов с трех- и четырехзазорными резонаторами, работающих в длинноволновой и в средневолновой частях диапазона длин волн. Определены конструктивные параметры электронной пушки, обеспечивающей формирование парциального пучка с микропервеансом 0.25-0.3 мкА/В3/2 при ускоряющих напряжениях 11.7 и 13.3 кВ и коэффициенте заполнения пролетного канала 
. Электронно-оптическая система прибора содержит 14 парциальных пушек.
7. Экспериментально установлено, что в многолучевом низковольтном виркаторе с предмодуляцией электронного потока возможно получить электронный КПД около 30%.
8. Экспериментально показано, что при несинусоидальной скоростной модуляции в исследованной схеме ГТП с двухзазорным резонатором и термоэлектронным катодом электронный КПД может достигать 30%, что примерно в 10 раз больше, чем в обычном отражательном клистроне.
9. Для работы в коротковолновой части микроволнового диапазона предложена новая конструкция ГТП с несинусоидальной скоростной модуляцией и с системой матричных автоэмиссионных катодов с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии с отражательного электрода, введенного в объем двухзазорного резонатора. В новом приборе (за счёт использования вместо однозазорного резонатора двухзазорного, возбуждаемого на кратных резонансных частотах) обеспечивается получение более высокой эффективности взаимодействия электронного потока с полем электромагнитной волны и увеличивается выходная мощность в 2-3 раза.
ПУбликации по теме диссертации
Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ
1. Акафьева, Н.А. Приближенные аналитические выражения для расчета электронных параметров бессеточного клистронного резонатора / Н.А. Акафьева, В.А. Царев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 4(60). Вып. 2. С. 86-91.
2. Акафьева, Н.А. Оптимизация выходных параметров мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на синфазном виде колебаний / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Журнал радиоэлектроники (электронный журнал). 2012. №1.
Патент на изобретение
3. Положительное решение на выдачу патента по заявке № 2011104833; Российская Федерация, МПК7 H01J25020. СВЧ-генератор с матричным автоэмиссионным катодом с отражением электронного потока / В.А. Царев, Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко - заявл. 09.02.2011; опубл. 21.02.2012.
Публикации в других изданиях
4. Акафьева, Н.А. Экспериментальное исследование гибридного СВЧ-прибора с двумя виртуальными катодами / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С.177-182.
5. Акафьева, Н.А. Исследование мощного многолучевого микроволнового автогенератора с четырехзазорным резонатором / Н.А. Акафьева, В.А. Царев, А.С. Абрамов // Математические методы в технике и технологиях. – ММТТ-21: сб. трудов ХХI Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 7. Секции 9, 14 / под общ. ред. В.С. Балакирева. Саратов: СГТУ, 2008. С. 179-181.
6. Акафьева, Н.А. Численное моделирование режимов работы мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2008. С. 176-181.
7. Акафьева, Н.А. Применение метода нелинейного подобия для расчета параметров пространственного заряда релятивистских электронных пучков с различной формой поперечного сечения / Н.А. Акафьева, В.А. Царев, Д.А. Сальникова // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2008. С. 181-187.
8. Акафьева, Н.А. Мощный СВЧ-автогенератор с резонатором распределенного взаимодействия / Н.А. Акафьева, В.А. Царев // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т. Т. 1. Саратов: СГТУ, 2009. С. 216-219.
9. Акафьева, Н.А. Оптимальный выбор параметров пространственного заряда электронного пучка в СВЧ-приборах клистронного типа / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы науч.-техн. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. С. 48-51.
10. Акафьева, Н.А. Исследование мощного монотрона с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на противофазном виде колебаний / Н.А. Акафьева, В.А. Царев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2009. С. 17-19.
11. Акафьева, Н.А. Исследование трёхзазорного резонатора мощного многолучевого автогенератора монотронного типа / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: Издат. центр «Наука», 2010. С. 181-184.
12. Акафьева, Н.А. Экспериментальное исследование СВЧ-генератора с тормозящим полем, выполненного на основе двухзазорного резонатора / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев, И.С. Бирюков // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: Издат. центр «Наука», 2010. С. 184-190.
13. Акафьева, Н.А. Экспериментальное исследование низковольтного виркатора с предмодуляцией электронного потока / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев, И.С. Бирюков // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: Издат. центр «Наука», 2010. С. 190-196.
14. Акафьева, Н.А. Некоторые результаты экспериментальных исследований низковольтного виркатора / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев, И.С. Бирюков // Хаотические автоколебания и образование структур (ХАОС-2010): материалы IX Междунар. шк. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2010. С. 159-161.
15. Akafyeva, N.A. Power multibeam monotron generator with distributed interaction cavity / N.A. Akafyeva // Modeling in applied electromagnetics and electronics: Collected scientific papers. Saratov: Saratov University Press, 2010. Issue 10. P. 68-71.
16. Акафьева, Н.А. Мощный СВЧ-генератор с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на синфазном виде колебаний / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Севастополь, Украина. 2011. С. 259-261.
Подписано в печать 15.05.2012 Формат 6084 1/16
Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,25 Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз. Заказ 15
ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо»
410031, Саратов, Волжская ул., 28
Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо»
410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90
