Разработка и исследование резонансных систем на основе двухзазорных резонаторов для мощных широкополосных многолучевых свч приборов клистронного типа

На правах рукописи

МУЧКАЕВ Вадим Юрьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ СИСТЕМ
НА ОСНОВЕ ДВУХЗАЗОРНЫХ РЕЗОНАТОРОВ ДЛЯ МОЩНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ МНОГОЛУЧЕВЫХ СВЧ ПРИБОРОВ КЛИСТРОННОГО ТИПА

Специальность 05.27.02 – Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования

«Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор, Царев Владислав Алексеевич
Официальные оппоненты:	доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Синицын Николай Иванович доктор технических наук, профессор Кошелев Василий Сергеевич
Ведущая организация:		ФГУП «НПП «Контакт», г. Саратов

Защита состоится «23» июня 2011 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, ауд. 1/220.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан «18» мая 2011 г.

Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного технического университета www.sstu.ru « 18 » мая 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Димитрюк А.А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время приборы клистронного типа (многорезонаторные клистроны и клистроды) находят широкое применение в системах связи, телевидения, радиолокации, СВЧ энергетике, медицине.

Основным недостатком, ограничивающим область применения этих приборов, является относительно малая ширина полосы усиливаемых частот. Важным требованием (особенно для самолетной и космической радиоаппаратуры) является также снижение массы и габаритов приборов.

Известны различные способы расширения полосы рабочих частот. Однако, все они негативно влияют на другие характеристики прибора: увеличение количества резонаторов, специальная расстройка их частот и изменение добротностей, установка фильтровых систем на входе и выходе прибора позволяет увеличить его «мгновенную» полосу рабочих частот более чем на 10%, но при этом снижается КПД прибора, усложняется и удорожается его изготовление, ухудшается массогабаритная характеристика.

Еще один способ увеличения полосы пропускания - это переход к многолучевой конструкции прибора, которая позволяет расширить полосу пропускания до 10-15%. Недостатком многолучевых клистронов и клистродов с близким расположением электронных лучей является увеличенная площадь электронного потока и, соответственно, площадь емкостных зазоров резонаторов. Следствием этого является уменьшение электронного КПД (из-за различия амплитуд напряжений на зазорах разных рядов) и характеристического сопротивления (из-за увеличенной электрической емкости зазоров резонатора).

Увеличение характеристического сопротивления можно добиться за счет применения двухзазорных резонаторов (ДР), исследованием которых, начиная с 30-х годов прошлого века, занимались многие отечественные и зарубежные учёные: Ю.А. Кацман, С.В. Лебединский, С.А. Зусмановский, А.З. Хайков, С.Н. Голубев, К.Г. Симонов, В.П. Панов, В.К. Федяев, А.Н. Арсеньева, О. Хайль, М. Чодоров, С. Фан, Р.Б. Нельсон и др.

Дальнейшее улучшение характеристик многолучевых приборов клистронного типа можно обеспечить за счет перехода к секторной конструкции двухзазорных резонаторов (СДР). При такой конструкции входная и выходная резонансная система (РС) многолучевого клистрона (МЛК) представляет собой комплекс из n электромагнитно связанных между собой однолучевых или многолучевых активных секторных двухзазорных резонаторов, образующих фильтровую систему. Промежуточные резонаторы могут не иметь между собой электромагнитной связи. Электронные лучи (пучки) при этом расположены аксиально-симметрично вокруг оси прибора, что облегчает формирование сходящихся электронных пучков, улучшает их фокусировку и обеспечивает однородность скоростной модуляции для всех лучей.

Однако, электродинамические свойства таких РС практически не изучены. Не определено оптимальное сочетание электродинамических, электронных и массогабаритных параметров, позволяющее расширить полосу рабочих частот высокоэффективных МЛК, выполненных на основе СДР, при одновременном снижении массы и габаритов приборов.

Современная тенденция при исследовании и разработке новых типов приборов заключается в последовательном использовании программ разного уровня. Однако существующие трехмерные программы численного моделирования сложных электродинамических систем, какой является фильтровая система, выполненная на основе СДР, слишком дороги и не полностью удовлетворяют требованиям разработчиков.

В связи с этим становится актуальным исследование и оптимизация разных по конструкции типов двухзазорных резонаторов, предназначенных для создания новых мощных широкополосных типов МЛК, а также разработка как программы оперативного расчета СДР, основанной на приближенных аналитических моделях, так и точной трехмерной программы численного моделирования сложных электродинамических систем.

Цель работы и задачи исследований.

Целью настоящей диссертационной работы является увеличение ширины полосы рабочих частот мощных многолучевых СВЧ приборов клистронного типа при одновременном улучшении их массогабаритных характеристик за счет оптимизации конструкции и параметров резонансных систем, выполненных на основе двухзазорных резонаторов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• проведение аналитического обзора публикаций по современным способам улучшения комплекса выходных электронных, электродинамических и массогабаритных параметров приборов клистронного типа;
• разработка аналитической методики оперативного расчета электронных и электродинамических параметров СДР;
• оптимизация СДР по комплексу электронных, электродинамических и массогабаритных параметров при помощи аналитического метода расчета;
• построение модели численного расчета комплекса характеристик РС сложной формы и разработка на ее основе программы трехмерного моделирования;
• исследование различных способов управления частотами собственных видов колебаний СДР для достижения условий кратности основного и высших видов колебаний;
• поиск оптимальной формы и размера щели связи между смежными активными СДР, обеспечивающих максимальную ширину полосы пропускания и минимальную неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) многолучевого прибора..

Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:

1. Предложен новый критерий оптимизации ДР по комплексу электронных, электродинамических и массогабаритных параметров, пропорциональный отношению эффективного характеристического сопротивления резонатора на его объем, позволяющий производить выбор конструкции резонатора, исходя с условий получения в МЛК максимальной полосы и усиления при минимально возможных габаритах и массе.
2. Разработана аналитическая методика приближенного расчета электронных и электродинамических параметров СДР, и на ее основе была создана программа оперативной оптимизации, позволяющая требуемые режимы работы прибора и геометрические размеры резонаторов по максимуму безразмерного критерия оптимальности.
3. Показано, что для СДР среди всех влияющих геометрических параметров наибольшая чувствительность резонансной частоты наблюдается при изменении радиуса пролетных труб. Наибольшая чувствительность характеристического сопротивления от геометрических параметров наблюдается в низкочастотном краю рассматриваемого диапазона частот, а наименьшая – в высокочастотном, наиболее сильная чувствительность коэффициента взаимодействия и электронной добротности наблюдается при углах пролета 4.5-5.2 радиан.
4. Установлены основные закономерности поведения частот разных видов колебаний в конструкции СДР с ребром, закорачивающим боковые стенки резонатора, и найдены условия достижения кратности частот противофазного f1 и синфазного видов f2 колебаний (f2/f1=2, f2/f1=3).
5. Определены оптимальные размеры и форма щели связи фильтровой системы, состоящей из двух активных СДР.
6. Исследованы полосовые свойства многосвязной РС, состоящей из шести СДР. Найдены условия, при которых в данной РС реализуется максимальная ширина полосы пропускания.

Достоверность полученных результатов обеспечивается построением 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:

1. На основе предложенного критерия можно оперативно дать адекватную оценку различных конструкций резонаторов по комплексу электродинамических, электронных и массогабаритных параметров, что особенно важно для проектирования приборов клистронного типа для самолетной и космической радиоаппаратуры.
2. Применение разработанной методики аналитического расчета параметров СДР, и созданной на ее основе программы оптимизации, целесообразно на начальном этапе проектирования прибора для поиска приближенных значений оптимальных параметров, что позволяет уменьшить трудоемкость и время расчета по программам трехмерного моделирования, а также трудоемкость экспериментальных исследований.
3. Проведенный анализ чувствительности характеристик СДР к изменению его геометрических и электронных параметров, позволяет уже на начальном этапе проектирования прибора с СДР выбрать наиболее стабильные режимы его работы, определить допуски на отклонения размеров резонаторов, предъявить определенные требования к режиму эксплуатации.
4. Разработанная программа трехмерного моделирования «REZON» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011611748) позволяет адекватно рассчитывать характеристики резонаторов сложной трехмерной формы и может быть использована при проектировании многосвязных активных и пассивных РС однолучевых и многолучевых широкополосных приборов клистронного типа.
5. Найденные условия достижения кратности основного противофазного и высшего синфазного видов колебаний для СДР с закорачивающим ребром могут быть использованы в приборах клистронного типа для реализации режима несинусоидальной скоростной модуляции, режимов умножения частоты, а также режима двухчастотного усиления сигнала.
6. Дана оценка ширины полосовой характеристики выходной резонансной системы, состоящей из шести активных секторных двухзазорных резонаторов и одного пассивного суммирующего резонатора.

Реализация результатов работы.

Результаты работы и практические рекомендации по проектированию одно- и многолучевых приборов клистронного типа на ДР:

• реализованы в ОАО «НПП «Контакт» в ОКР НКУ ДКА-2015-Восток;
• используются в учебном процессе СГТУ в курсах «Компьютерное моделирование и проектирование ЭПУ» и «Микроволновые приборы и устройства», а также при выполнении бакалаврами и магистрами дипломных проектов и курсовых работ.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Значение критерия оптимальности , объединяющего электродинамические ( – длина волны, – характеристическое сопротивление), электронные (М – коэффициент эффективности взаимодействия) и геометрические (– высота, – площадь поперечного сечения резонатора) параметры, для конструкции секторного двухзазорного резонатора приблизительно в 1,5 раза больше значения критерия оптимальности двухзазорного резонатора цилиндрической формы и, примерно в 50 раз, больше значения этого критерия для эталонного однозазорного цилиндрического резонатора радиального типа (П=1093), возбуждаемого на виде Е010.
2. Разработанная программа трехмерного моделирования резонаторов, основанная на численном решении уравнений Максвелла методом конечных разностей во временной области (FDTD) с использованием математических моделей, описывающих эффективность взаимодействия с пучком, адекватно моделирует установившиеся процессы в резонаторах сложной формы с бессеточными зазорами; и позволяет исследовать зависимости электронных и электродинамических от их геометрических размеров и параметров режима, а также определять оптимальное значение критерия П.
3. Введение в ячейку двухзазорного резонатора дополнительного, закорачивающего боковые крышки, ребра, которое служит основанием для радиального стержня с закрепленной на его конце втулкой, позволяет путем варьирования отношения высоты ребра к длине стержня изменять частоты противофазного и синфазных видов колебаний, при этом кратность частот для однолучевого резонатора цилиндрической формы достигается при отношении , для однолучевого резонатора секторной формы – при , а для трехлучевого резонатора секторной формы – при .
4. Максимальная ширина полосы пропускания двухзвенной фильтровой системы, состоящей из связанных активных секторных двухзазорных резонаторов, наблюдается при электрическом характере связи в случае щели связи круглой формы и выборе отношения (где – диаметр круглого отверстия).

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7 научно-технических конференциях: 19-й и 20-й международных Крымских конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина, 2009, 2010); международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010» (Саратов, 2010); Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009, 2010); 11th IEEE International Vacuum Electronics Conference IVEC 2010 (Monterey, 2010); XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них три статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений, содержит 130 страниц, включая 3 таблицы, 72 рисунка, 63 формулы, список литературы состоит из 71 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дается общая характеристика диссертационной работы: обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, изложены основные решаемые задачи, показаны научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой обзор литературы по описанию путей улучшения комплекса выходных (ширины полосы рабочих частот, равномерности АЧХ, КПД) и массогабаритных параметров приборов клистронного типа.

Обзор литературы показал, что наиболее оптимальным является использование ДР на -виде колебаний в качестве входных, промежуточных и выходных резонаторов в МЛК, так как они имеют значительно большее по сравнению с однозазорными резонаторами эффективное характеристическое сопротивление и, соответственно, большую ширину полосы рабочих частот.

Перспективным для создания мощных высокоэффективных усилительных клистронов и умножителей частоты является применение несинусоидальной модуляции, которая позволяет приблизить форму ВЧ напряжения на зазоре резонатора к пилообразной и, соответственно, улучшить группировку электронов. Обычно в конструкцию такого прибора вводят один или два резонатора, настроенных на вторую гармонику сигнала. Это увеличивает полную длину и массу такого устройства. Этот недостаток устраняется при использовании однолучевых конструкций ДР, в которых можно добиться равной двум и более кратности частот собственных видов колебаний.

Использование ДР с кратными частотами в МЛК с плотной «упаковкой» каналов в пределах одной пролетной трубы, приводит к увеличению площади поперечного сечения электронного потока и, соответственно, площади емкостных зазоров резонаторов, через которые этот пучок проходит. Следствием этого является уменьшение электронного КПД (из-за различия амплитуд напряжений на зазорах разных рядов) и уменьшение характеристического сопротивления (из-за увеличенной электрической емкости зазоров резонаторов).

Улучшение выходных параметров МЛК можно обеспечить за счет перехода к секторной конструкции ДР. Такой прибор имеет общую ось симметрии и содержит разделительные стенки, расположенные в виде веера в радиальном направлении вокруг общей оси симметрии прибора и формирующие в нем "n" отдельных пространственных частей-секторов.

За счет использования разных форм взаимодействия и связей между секторными резонаторами и их элементами можно формировать широкий спектр выходных характеристик с максимальными значениями параметров в их сочетании и добиваться, таким образом, увеличения КПД, ширины рабочих частот, мощности и т.д.

Тем не менее, характеристики секторных резонаторов и МЛК на их основе пока мало исследованы как теоретически, так и экспериментально.

Численное исследование затруднено в связи с тем, что существующие коммерческие программы 3D моделирования электродинамических систем (HFSS, CST Microwave Studio и др.) являются весьма дорогими и не полностью удовлетворяют требованиям исследователей.

По результатам проведенного анализа публикаций сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Вторая глава диссертационной работы посвящена аналитическому исследованию зависимости электронных и электродинамических параметров СДР от их геометрических размеров.

В качестве объекта исследования рассматривались два разных по конструкции СДР V-образной формы, отличающихся креплением центрального стержня и представляющих собой один из секторов многосекторного резонатора (рис.1).

Для расчета электродинамических параметров СДР (резонансной частоты и характеристического сопротивления ) резонатор был представлен в виде эквивалентной длинной линии с полураспределенными параметрами, нагруженной на сосредоточенную емкость двойного зазора. Найдены аналитические выражения для расчета сосредоточенной емкости двойного зазора для случая V- образной формы корпуса резонатора.

а б в

Рис.1. Продольное (а) и поперечное (б) сечения СДР и внешний вид макета шестилучевого резонатора (в)

Условие резонанса такой системы на основном -виде колебаний определялось по равенству нулю суммы эквивалентных реактивных проводимостей. Электронные параметры резонатора (коэффициент эффективности взаимодействия , относительная активная шунтирующая проводимость и электронная добротность ), нагруженного пучком, рассчитывались по формулам, известным для обычных ДР.

Достоверность методики расчета электродинамических параметров СДР проверена путем детального сопоставления результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований (рис.2).

а б

Рис.2. Изменение частоты (а) и характеристического сопротивления (б)
СДР V-образной формы

Результаты расчета показали, что при заданном значении частоты характеристическое сопротивление СДР со стержнем, прикрепленным к внутренней части цилиндрического корпуса, больше, чем для СДР, центральный стержень которого прикреплен к внешней части цилиндрического корпуса. Поэтому при дальнейших расчетах рассматривался первый тип резонатора.

На основании предложенной методики была разработана программа оперативного расчета. С ее помощью при заданных геометрических размерах СДР можно рассчитать электронные и электродинамические параметры на основном противофазном виде колебаний.

Для поиска оптимального комплекса параметров резонатора с помощью разработанной программы предложен новый критерий оптимальности:

, (1)

где – высота, – площадь поперечного сечения резонатора.

Он объединяет электродинамические (характеристическое сопротивление и длину волны ), электронные (коэффициент электронного взаимодействия ) и геометрические параметры резонатора. Максимальное значение данного критерия определяет условия получения в СВЧ приборе максимальной полосы и усиления при минимально возможных габаритах.

Для цилиндрического резонатора, работающего на виде E010 (=2.62R), максимально достижимое значение этого критерия равно вполне определенному числу – . Следовательно, он может быть выбран в качестве эталонного при поиске оптимального комплекса параметров резонатора.

При оптимизации СДР его высоту выбирали из условия , где , – скорость электронов, – скорость света. Далее, изменяя длину центральной втулки между зазорами, поддерживали резонансную частоту постоянной за счет изменения радиуса R резонатора (рис.1).

Найденные зависимости относительного критерия П от длины центральной втулки и (т.е. фактически от ускоряющего напряжения) представлены на рис. 3.

По результатам анализа установлено, что при оптимальной величине параметра 0,16, рост величины наблюдается с уменьшением диаметра стержня и радиуса пролетного канала (рис. 3). При этом с уменьшением максимум П достигается при меньших значениях длины пролетной втулки (рис.3а). Однако выбор минимально возможного диаметра стержня ограничен его механической и тепловой неустойчивостью при больших уровнях выходной мощности.

В результате проведенных исследований также установлено, что максимальное значение критерия рассматриваемого резонатора примерно в 1,5 раза больше значения данного критерия для ДР цилиндрической формы.

а б

Рис.3. Зависимость величины СДР V-образной формы от: a – при различных значениях диаметра стержня ; б – при различных значениях радиуса пролетного канала

Был произведен также анализ чувствительности характеристик СДР к отклонению его геометрических и электронных параметров (рис. 4).

а б в

Рис.4. Кривые зависимостей относительной чувствительности резонансной частоты (a), характеристического сопротивления (б) от нормированной длины волны при изменении геометрических параметров (1 – r1, 2 – R, 3 – H, 4 – lw, 5 – d, 6 – dst)
и зависимость чувствительности электронных параметров (в) ,, от угла пролета двойного зазора (1 – , 2 – , 3 – )

Проведенное исследование чувствительности основных электродинамических параметров и электронных параметров позволило определить степень влияния на них изменений геометрических размеров резонаторов и параметров электронного потока.

Использование этой информации позволяет уже на этапе проектирования прибора с СДР выбрать наиболее стабильные режимы его работы, определить допуски на отклонения размеров резонаторов, предъявить определенные требования к режиму эксплуатации.

Третья глава посвящена разработке программы численного расчета и оптимизации по комплексу электрических и массогабаритных параметров сложных трехмерных резонансных систем, предназначенных для взаимодействия с электронным потоком.

В основе алгоритма расчета программы был выбран метод конечных разностей, основанный на аппроксимации дифференциальных уравнений Максвелла конечно-разностными уравнениями, а непрерывных функций распределения поля – дискретными сеточными функциями, значения которых определены в узлах сетки, покрывающих расчетную резонансную область. Расчет производился во временной области. При численном моделировании была использована регулярная сетка, ячейки которой имеют вид параллелепипедов. Потери в стенках резонаторов не учитывались, т.е. рассматривались граничные условия для совершенных проводников:

, , , , (2)

где – нормаль к стенке резонатора, – поверхностная плотность заряда, – поверхностная плотность тока.

Описанная методика расчета позволяет определять численные значения всех компонент электромагнитного поля резонатора любой геометрической формы и в любой момент времени, а, следовательно, и вычислять все, интересующие параметры бессеточных резонаторов:

– характеристическое сопротивление

, (3)

- коэффициент эффективности взаимодействия

, (4)

где R – резонансное сопротивление эквивалентного параллельного контура, – добротность резонатора, – ВЧ напряжение, действующее на пучок, – круговая частота колебаний электромагнитного поля, U – энергия электромагнитного поля, – z-я компонента напряженности электрического поля, Ф/м, Г/м.

Значения интегралов, стоящих в выражениях (2,3), вычислялись численным интегрированием (с помощью метода Симпсона) найденных ранее в узлах сетки значений электрического и магнитного полей по объему резонатора. Шаг интегрирования определялся величиной шага сетки. Так как значение стоящего в числителе интеграла зависит от выбора линии интегрирования в пролетном канале, то при вычислениях и М брались усредненные по радиусу пролетного канала значения.

Достоверность созданной на основе описанной методики программы 3D моделирования «REZON», была проверена путем сравнения с тестовыми задачами, имеющими очевидное аналитическое решение (цилиндрический резонатор радиального и коаксиального типов). Погрешность численного расчета критерия П (относительно эталонного значения равного 1093) не превышала 0,5%. Детальное сопоставление с экспериментальными данными измерений параметров СДР показало, что расчет по разработанной программе дает результаты, адекватные экспериментальным, с расхождением 1-2% для частоты и 5-6% - для характеристического сопротивления.

В четвертой главе представлены результаты численных исследований СДР, выполненных с помощью разработанной программы «REZON».

Была исследована возможность реализации двухчастотного режима в ДР. Были рассмотрены три резонатора, отличающиеся формой образующей корпуса, числом зазоров, размерами и формой стержней, поддерживающих центральные втулки (рис.5).

Отличительной особенностью рассматриваемых резонаторов является наличие ребра, закорачивающего боковые стенки резонатора и расположенного в его индуктивной части. Ребро имеет высоту w и ширину s. В середине ребра крепится стержень, оканчивающийся пролетной втулкой. Изменяя высоту ребра w и, соответственно, длину стрежня v, можно варьировать частотами основного противофазного и высшего (синфазного) видов колебаний.

а б в

Рис. 5. Поперечные сечения ДР цилиндрической формы (а), СДР V-образной формы (б) и трехлучевого СДР (в)

В результате численного исследования были найдены условия достижения кратности частот основного (противофазного) и синфазного видов колебаний (рис. 6).

а б в

Рис.6. Изменение отношения частот синфазного и противофазного видов колебаний
в зависимости от высоты ребра: а – ДР цилиндрической формы, б – СДР V-образной формы и в – трехлучевого СДР

Кратность частот для цилиндрического резонатора достигается при , для резонатора V-образной формы – при , для многолучевого резонатора – при . При этом условие кратности двум частот основного противофазного и высшего синфазного вида для СДР V-образной формы (рис.6б) является более «устойчивым» к изменению соотношения размеров резонатора, чем в случае резонатора цилиндрической формы (рис.6а).

Показано, что для трехлучевого резонатора V-образной формы (рис. 6с) могут быть подобраны такие соотношения размеров ячейки ДСР, при которых кратность частот противофазного и синфазного видов колебаний равна трем. Поэтому он является перспективным для использования в умножителях частоты (утроителях).

Было исследовано влияние размеров и формы щели связи на полосовые свойства фильтровой системы, состоящей из двух активных секторных двухзазорных резонаторов (рис.7а).

Всего было рассмотрено 10 различных форм щелей связи. Результаты численного эксперимента показывают, что зависимость ширины полосы пропускания системы от максимальной неравномерности АЧХ для всех рассмотренных форм щелей, кроме круглой, носит универсальный характер (линия 2 на рис.7б). Однако в случае щели связи круглой формы, данная зависимость проходит выше (линия 1 на рис.7б). Таким образом, щель связи круглой формы является наиболее оптимальной. Максимальная ширина полосы пропускания двухзвенной фильтровой системы достигается при отношении d0/0,08 (где d0 – диаметр отверстия связи).

а б

Рис.7. Поперечное сечение двух электромагнитно связанных СДР (а) и зависимость ширины полосы пропускания fm от максимальной неравномерности АЧХ в полосе пропускания системы Аm (б) в случае щели связи круглой формы (линия 1) и во все остальных случаях (линия 2)

Были также изучены полосовые свойства РС, состоящей из шести активных СДР V-образной формы, расположенных в виде веера вокруг оси прибора и образующих, таким образом, цилиндр (рис.8).

а б

Рис.8. Поперечное сечение выходного резонатора для шести лучевого клистрона (а)
и его АЧХ (б) без учета электронной нагрузки

Активные резонаторы связаны между собой через щели связи круглой формы, расположенные в смежных боковых стенках. В центре резонансной системы расположен пассивный резонатор, связанный с активными резонаторами посредством металлически штырей. Внутренний пассивный резонатор нагружен на коаксиальный вывод энергии.

Результаты численного расчета показали, что для этой РС можно добиться полосы пропускания 10% при неравномерности менее 2дБ. Рассмотрены также случаи, когда исследуемая РС связана с несколькими последовательно расположенными пассивными коаксиальными резонаторами.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы, приведен список работ, опубликованных по результатам исследований.

Основные результаты работы

1. Разработана аналитическая методика расчета электронных и электродинамических параметров СДР и на ее основе создана оперативная программа оптимизации, позволяющая находить приближенные значения оптимальных параметров по предложенному критерию оптимизации, объединяющему электродинамические, электронные и массогабаритные параметры резонатора.
2. В результате проведенных расчетов показано, что значение критерия оптимальности для СДР в 1,5 раза больше значения данного критерия для ДР цилиндрической формы и примерно в 50 раз больше значения для простого цилиндрического резонатора, возбуждаемого на основном виде колебаний.
3. Проведено исследование чувствительности характеристик СДР к изменению его геометрических и электронных параметров. Найдены области значений параметров, при которых чувствительность характеристик СДР минимальна.
4. Разработана программа трехмерного моделирования резонаторов, основанная на численном решении уравнений Максвелла методом конечных разностей во временной области (FDTD) с использованием математических моделей, описывающих эффективность взаимодействия с пучком. Детальное сопоставление с экспериментальными данными измерений параметров СДР показало, что расчет по разработанной программе дает результаты, адекватные экспериментальным, с расхождением 1-2% для частоты и 5-6% – для характеристического сопротивления.
5. Исследовано влияние высоты закорачивающего ребра на частоты основного противофазного и высшего синфазного видов колебаний в ДР различной формы. Установлено, что кратность двум частот основного противофазного и высшего синфазного видов колебаний для ДР цилиндрической формы реализуется при отношении высоты ребра w к длине стрежня v, равной 0,758, для СДР V-образной формы – при . Для трехлучевого СДР кратность трем частот основного противофазного и высшего синфазного видов колебаний достигается при .
6. Изучено влияние размеров и формы щели связи на полосовые свойства системы двух электромагнитно связанных СДР. Показано, что максимальная ширина полосы пропускания достигается в том случае, когда щель связи имеет форму круглого отверстия, размер которого выбирают их соотношения (где – диаметр отверстия).
7. Исследованы полосовые свойства многосвязанной РС, состоящей из шести активных СДР. Показано, что для данной РС можно добиться полосы пропускания 10% при неравномерности менее 2дБ в полосе пропускания без учета электронной нагрузки.

ПУбликации по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Мучкаев, В.Ю. Методика расчета электродинамических параметров секторного двухзазорного резонатора / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2009. – № 4 (43). – Вып. 2. – С. 54-59.
2. Мучкаев, В.Ю. Управление спектром основного и высших видов колебаний в двухзазорных одноканальных и многоканальных резонаторах / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. – 2010. – Вып. 5. – С. 68-73.
3. Мучкаев, В.Ю. Расчет характеристического сопротивления резонаторов сложной формы с помощью трехмерной электродинамической модели / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2010. – №4 (51). – Вып. 3. – С. 69-73.

Публикации в других изданиях

4. Мучкаев, В.Ю. Исследование влияния размеров и формы щели связи на полосовые свойства системы связанных секторных двухзазорных резонаторов многолучевого клистрона / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // Радиотехника и связь: сб. науч. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т. – Саратов, 2009. – С. 260–269.
5. Мучкаев, В.Ю. Математическая модель секторного двухзазорного резонатора многопучкового широкополосного клистрон / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // Радиотехника и связь: сб. науч. тр. / Сарат. гос. техн. ун-т. – Саратов, 2009. – С. 275–283.
6. Мучкаев, В.Ю. Полосовые свойства системы связанных секторных двухзазорных клистронных резонаторов / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии – КрыМиКо’2009: материалы 19 Междунар. Крымской конф.: в 2 т. – Севастополь, 2009. – Т.1 – С. 141-142.
7. Мучкаев, В.Ю. Разработка новых типов многолучевых клистронов, обладающих улучшенным комплексом электронных и электродинамических параметров / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // Инновации и актуальные проблемы техники и технологии: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых в 2 т. – Саратов: СГТУ, 2009. – Т.1. – С. 284-288.
8. Muchkaev, V.Y. Investigation of the Electrodynamic Characteristics for the Double-gap Multibeam Klystron’s Cavities / A.Y. Miroshnichenko, V.Y. Muchkaev, V.A. Tsarev // 11th IEEE International Vacuum Electronics Conference IVEC 2010, Monterey, 2010. - P. 121-122.
9. Мучкаев, В.Ю. Оптимальное конструирование секторных двухзазорных резонаторов / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-23: сб. тр. XXIII Междунар. науч. конф.: в 12 т. / Сарат. гос. техн. ун-т. – Саратов, 2010. Т. 7. – С. 133-135
10. Мучкаев, В.Ю. Методика оптимизации геометрических размеров двухзазорных резонаторов / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии – КрыМиКо’2010: материалы 20 Междунар. Крымской конф. в 2 т. – Севастополь, 2010. – Т.1 – С. 245-246.
11. Мучкаев, В.Ю. Чувствительность характеристик секторных двухзазорных резонаторов многолучевых клистронов к отклонению геометрических и электронных параметров / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2010: материалы Междунар. науч.-техн. конф. – Саратов: СГТУ, 2010. – С. 284-288.
12. Мучкаев, В.Ю. Исследование полосовых характеристик секторных резонаторов / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // Инновации и актуальные проблемы техники и технологии: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых. – Саратов: СГТУ, 2010. – С. 334-335.

Авторские свидетельства

13. Мучкаев, В.Ю. REZON / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011611748 от 24.02.2011 г.

Подписано в печать 12.05.11 Формат 6084 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,16 (1,25) Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 89 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Тел.: 24-95-70; 99-87-39, е-mail: [email protected]