CC BY
12
Доклады БГУИР
2014 № 3 (81)
УДК 621.385.6
ГИРО-ЛБВ С ЗАКРИТИЧЕСКОЙ СЕКЦИЕЙ И ПОГЛОЩАЮЩИМИ ВСТАВКАМИ
СВ. КОЛОСОВ
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 10 февраля 2014
Рассмотрены возможности повышения коэффициента усиления и КПД в гиро-ЛБВ за счет введения закритической секции в середине волновода и наличия поглощающих вставок с обеих сторон такой секции.
Ключевые слова: гиро-ЛБВ, нерегулярные волноводы.
Введение
Разработка гиро-ЛБВ с высоким коэффициентом усиления наталкивается на проблему изоляции взаимного влияния электромагнитных полей входной секции лампы, где происходит начальная модуляция поперечных скоростей спирализованного электронного потока, с электромагнитными волнами выходной секции, где при отборе энергии от сгруппированного электронного потока возбуждаются как попутная волна, так и встречная волна, которая, если ее не изолировать, попадет во входную секцию, что приведет к самовозбуждению лампы.
Одним из путей решения этой проблемы является вставка поглощающей электромагнитные волны секции в середину лампы [1, 2]. Однако при этом происходит полное поглощение встречной волны и частичное поглощение возбуждаемой уже в средней части лампы попутной волны, что понижает полный КПД на 2-10 %.
Другим из возможных способом развязки входной и выходной секций лампы является вставка в средней части лампы закритической для рабочей моды секции, которая полностью изолирует эти секции друг от друга и не отбирает энергию от электромагнитных волн.
Результаты расчета гиро-ЛБВ
Моделирование процессов в гиро-ЛБВ осуществлялось с помощью компьютерной программы ОУЯО-К из программного комплекса «КЕДР» [3]. Параметры электронного потока гиро-ЛБВ были следующими: напряжение - 50 [кВ], ток электронного потока - 3 [А], питч фактор - q = У±/У\ = 1,2.
Магнитостатическое поле в этом приборе - понижающееся на величину -0,04079
д„ еН0 (г) 1,748 -1011 • В[Т] начиная со значения ^ (г) = ——= --^^ = 1,0391.
«о 2п • /о [№]
2жЬ
Полная длина прибора: I =-= 160 рад. Волновод имеет закритическую вставку
%о
начиная с длины от 35 до 80 радиан. Волновод покрыт поглощающим покрытием с 20 по 40 и 75 по 105 радиана с удельным сопротивлением Яу = 1092 Мкош/ш.
В расчетах учитывались 8 типов волн - ТЕ01-04и ТМ01-04. Это позволило корректно рассчитывать взаимные преобразования типов волн на нерегулярностях волновода и одновременно учитывать влияние полей пространственного заряда.
Интегральные характеристики данной лампы приведены на рис. 1. На нем профиль волновода обозначен жирным черным цветом, серым - поглощающие участки волновода,
F = 1 -
- функция группировки электронного
№ ( 1 N Л N3 ( Л №е
потока по первой гармонике, р± = V¡с - средняя нормированная к скорости света поперечная
скорость электронов, КПД-е - электронный КПД, КПД-у - волновой КПД, т.е. энергия переносимая волной.
Рис. 1. Интегральные характеристики гиро-ЛБВ
КПД такой гиро-ЛБВ достигает 37 %, а коэффициент усиления - 40 дБ. На следующем рисунке показано увеличенное изображение рис. 1.
Рис. 2. Детализация кривых рис. 1
Здесь |Ahoi| - амплитуда волны Н01, КПД-У+ - мощность этой же волны, но распространяющейся вправо, КПД-v- - мощность волны, распространяющейся влево, т.е. встречной волны. Видно, как на участке по z от 105 до 80, амплитуда встречной волны уменьшается за счет ее поглощения поглотителем волновода. В этом случае мощность, отдаваемая электронным потоком полю, превышает мощность бегущей волны TE01, но разница в КПД в этом случае не превышает 1 %, в то время как в варианте с одной поглощающей секцией [1] эта разница достигала 4,7 %. Это указывает на то, что закритический участок волновода не препятствует группировке электронов и обеспечивает надежную развязку входа и выхода лампы, а поглощающие участки волновода обеспечивают режим бегущей волны и препятствуют образованию режима стоячих волн, как во входной секции волновода, так и в выходной. Процесс поперечной фазовой группировки электронов показан на рис. 3.
Рис. 3. Фазовые траектории электронов
Рис. 3 показывает, как формируется фазовый пакет электронов при г = 135 и как он рассыпается при отборе энергии к концу лампы.
Из рис. 4 следует, что большинство электронов отдают свою энергию электромагнитному полю, т.е. в конце лампы большинство электронов имеют поперечную скорость меньше начальной - 0,317.
Рис. 4. Распределение поперечных скоростей электронов На рис. 5 показан продольный разрез лампы с отображением модуля амплитуды волны Н01.
Рис. 5. Распределение модуля напряженности электрического поля в продольном сечении волновода
Рис. 5 показывает, как нарастает мощность бегущей вправо волны Н01 и показывает полное отсутствие электромагнитного поля в области закритической вставки волновода.
Была исследована частотная характеристика этой гиро-ЛБВ, она показана на рис. 6.
f/f„
Рис. 6. Частотная характеристика гиро-ЛБВ
Полоса усиления данной лампы составляет 6 %. Следует отметить, что если убрать поглощающие вставки в волноводе, то частотная характеристика лампы станет более неравномерной, что следует из следующего рисунка.
Рис. 7 показывает, что при отсутствии поглощающих вставок существенно усилилась неравномерность частотной характеристики, т.е. возникают резонансные явления внутри волновода.
о н------1-1--1-
0.96 0.97 0.9S 0.99 1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06
f/fo
Рис. 7. Частотная характеристика гиро-ЛБВ без поглощающих секций
Заключение
Проведенные расчеты показали, что введение закритической секции в середине волновода и наличие поглощающих вставок позволяют создавать гиро-ЛБВ с большим коэффициентом усиления, более 40 дБ, предотвращать эффекты самовозбуждения, достигать КПД ~ 37 %, улучшать равномерность частотной характеристики и иметь полосу усиления 6 %.
GYRO-TWT WITH CUT-OFF SECTION AND ABSORB INSERTS
S.V. KOLOSOV Abstract
Computer simulations have shown that the introduction of the cut-off waveguide section in the middle and the presence of absorbing inserts allows you to create a gyro-TWT with high gain over 40 dB, prevents the effects of self-excitation, receive an efficiency of ~ 37 %, improve the uniformity of the frequency response and have a gain bandwidth of 6 %.
Список литературы
1. Колосов С.В., Кураев А.А., Сенько А.В. // Матер. XX Междунар. конф. «КрыМиКо-2010». Севастополь, 13-17 сентября 2010. С. 299-300.
2. Колосов С.В., Кураев А.А., Сенько А.В. // Весщ НАН Беларуси Сер. фiзiка-техн. навук. 2012. № 2. С. 97-103.
3. Колосов С.В., Кураев А.А., Синицын А.К., Аксенчик А.В. Свидетельство о регистрации компьютерной программы № 389.
