CC BY
122
УДК 621.382
В.А. Царев, А.Ю. Мирошниченко, И.О. Чигуров
ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОЛУЧЕВОГО КЛИСТРОНА С ДВУХМОДОВЫМ ПРОМЕЖУТОЧНЫМ РЕЗОНАТОРОМ1
Рассмотрен многолучевой клистрон, в резонаторную систему которого включен ступенчато-неоднородный однозазорный резонатор, возбуждаемый одновременно на двух модах колебаний, на основной частоте 2450 МГц и кратной частоте 4900 МГц. Это позволяет уменьшить габариты прибора и обеспечить оптимальные условия взаимодействия пучка с СВЧ полем. Приводятся результаты теоретических исследований клистрона с однозазорным резонатором с использованием программы 3-0 моделирования КЕХО^, демонстрирующие возрастание электронного КПД клистрона до 72%.
Клистрон, КПД, резонатор, двухмодовый режим работы, многолучевой электронный поток
1 Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.B37.21.0909 «Исследование физических процессов в мощных многолучевых СВЧ электровакуумных приборах с электродинамическими системами, выполненными на основе многомодовых резонаторов»
76
V.A. Tsarev, A.Yu. Miroshnichenko, I.O. Chigurov
INVESTIGATION OF THE MULTI-BEAM KLYSTRON
WITH A TWO-MODE PENULTIMATE FLOATING RESONATOR
A klystron design is considered with a two-mode penultimate floating resonator which provides interaction with electron beam by fields of two frequencies of one-gap resonator fundamental oscillations for increasing the klystron efficiency. One-gap resonator is tuned at operating frequency f and the doubled frequency 2f. Such choice of frequency oscillation types allows compacting the resonator and providing optimal conditions for electron beam interaction with microwave fields. Theoretical investigation using 3-D REZON code of klystron with a one-gap resonator demonstrated a significant increase of the klystron efficiency.
Klystron, efficiency, resonator, two-mode regime interaction, multiple electron
beam
В последние годы во всем мире проявляется значительный интерес к разработке мощных многолучевых клистронов (МЛК) [1].
Они находят применение в телевидении, связи и радиолокации, медицинской технике, а также в устройствах бытового и промышленного нагрева и в ускорительной технике. Интерес к этим приборам вызван тем, что они могут обеспечить дальнейшее повышение КПД мощных СВЧ усилителей (до 70-80%), увеличение выходной мощности и расширение полосы усиления при пониженных по сравнению с однолучевыми конструкциями (ОЛК) напряжениях.
Для повышения электронного КПД в ОЛК и МЛК применяют режим несинусоидальной скоростной модуляции, реализуемый за счет введения в состав резонаторной системы дополнительных резонаторов, настроенных на частоты, соответствующие второй гармонике конвекционного пучка [2].
Так как смежные резонаторы первой и второй гармоник в группирователе пространственно разнесены, для получения оптимальных амплитудных и фазовых характеристик, соответствующих наилучшему приближению к пилообразной форме модулирующего напряжения, требуется большая расстройка резонаторов второй гармоники по частоте, что уменьшает максимальную амплитуду несинусоидального модулирующего сигнала.
Кроме того, введение одного или двух резонаторов второй гармоники приводит к увеличению габаритов и массы прибора. Устранить этот недостаток в МЛК можно, так же как и в ОЛК [3], путем использования вместо двух входных резонаторов одного, настроенного на кратные частоты, соответствующие основному.
Недостаточная изученность физических процессов, протекающих при многомодовом взаимодействии многолучевого электронного потока с СВЧ полем резонаторов, затрудняет создание МЛК с повышенным комплексом электрических и массогабаритных параметров.
Целью настоящей работы является определение оптимальных параметров режима несинусоидальной скоростной модуляции в МЛК с однозазорными двухмодовыми резонаторами, направленное на повышение электронного КПД и выходной мощности этих приборов.
Объектом исследования являлся пятирезонаторный МЛК, в резонаторную систему которого включен ступенчато-неоднородный однозазорный резонатор, возбуждаемый одновременно на двух модах колебаний (i=1,2), соответствующих основному (Е010) и высшему (Е02о) видам колебаний с кратными рабочими частотами (2450 и 4900 МГц). Схематическое изображение этого резонатора показано на рис. 1.
На рис. 1а и в изображен характер распределения ВЧ электрического поля в этом резонаторе на Е010 и Е020 видах колебаний.
Расчет электронных и электродинамических параметров резонатора для двухмодового режима (коэффициента эффективности взаимодействия М;, характеристического сопротивления, нормированных значений активной электронной проводимости Gei/G0 проводился по трехмерной программе моделирования СВЧ-приборов клистронного типа «REZON» [4].
Результаты расчета электронных параметров приведены на рис. 2.
Из рис. 2 видно, что удовлетворительная эффективность взаимодействия на второй гармонике М2 достигается при выборе ускоряющего напряжения й0 и угла пролета по радиусу у2а на втором виде колебаний из следующих условий:
у2а <0.8, й>10 кВ (1)
Размеры пролетной трубы выбирались из условия плотной «упаковки» пролетных каналов в
общей пролетной трубе
г2 / Л2 = (0.015 Г2ау1й~0 (1 + 4( м~ 1))1/2, (2)
где N - число пролетных каналов, у2а - угол пролета по радиусу пролетного канала на удвоенной ча-
стоте сигнала, й0, кВ.
1.2
о;
т
-0.1 --------------------------------------------------------------------------------
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ю иа,кВ
Рис. 2. Зависимость электронных параметров от величины ускоряющего напряжения
для двух видов колебаний
Подстановка в выражение (2) выбранных значений у2а=0,8; и0=10 кВ, А,2=6.12 см позволяет определить радиус г2=6.96 мм.
Геометрические размеры резонатора, полученные в результате синтеза на две кратные частоты 2450 и 4900 МГ ц, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Геометрические размеры резонатора
Обозначения Г1 Г2 Б/2 І1 І2 СІ, И а
Размеры, мм 6.96 13.81 17.99 8.7 19.2 5.3 33.2 1.54
Результаты расчетов электронных параметров для исследуемой конструкции резонатора для ускоряющего напряжения и0=10 кВ, при микропервеансе одного луча рц1= 0.3 мкА/В3/2 и коэффициенте заполнения пролетного канала, равном Ь/а=0.7, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Электронные и электродинамические параметры резонатора
Параметры Р, МГц р, Ом М Ое/Оо 00 Yа
Вид 1 (Е010) 2452 51.2 0.8 0.192 3811 0.4
Вид 2(Ео2о) 4904 31.9 0.625 0.09 6220 0.8
На рис. 3, 4 показаны результаты расчета и оптимизации параметров МЛК, полученные с помощью программы Б18к1у, основанной на дисковой модели клистрона [5].
Результаты расчета, приведенные на рис. 3, показывают, что максимальный электронный КПД, который можно получить в 5-резонаторном семилучевом МЛК с одномодовыми резонаторами, при оптимальной расстройке их резонансных частот, не превышает 57%.
Рис. 3. Характер изменения фазовых траекторий, относительной амплитуды ВЧ-напряжения на зазорах резонаторов и нормированной амплитуды первой и второй гармоник конвекционного тока вдоль пространства взаимодействия в одномодовом режиме
Рис. 4. Характер изменения фазовых траекторий, относительной амплитуды ВЧ-напряжения на зазорах резонаторов и нормированной амплитуды первой и второй гармоник конвекционного тока вдоль пространства взаимодействия в двухмодовом режиме работы третьего резонатора
Замена третьего резонатора на двухмодовый приводит, как показано на рис. 4, к увеличению примерно в 1,3 раза амплитуды первой гармоники конвекционного тока. При этом электронный КПД увеличивается до 72%.
Нетрудно получить оценки ожидаемой выходной мощности исследованных приборов по известной формуле
Рвых=Пе-Пк-рщ-(10-6) -К-и05/2, (3)
где пе - электронный КПД, пк - контурный КПД.
В первом случае, согласно расчету по формуле (3), выходная мощность составляет примерно 11 кВт, во втором - она возрастает до 14 кВт.
Заключение
1. Разработанные принципы конструирования МЛК с многомодовыми резонаторами могут быть положены в основу клистронных усилителей и генераторов различного назначения, используемых в СВЧ энергетике, системах связи и телевидении.
2. Заменив в приборе все двухзазорные резонаторы на двухчастотные (при соответствующей их настройке), можно добиться того, что клистрон будет иметь две рабочие полосы усиления, разнесенные одна от другой примерно на октаву.
3. Возможно также применение нескольких полигармонических резонаторов, связанных между собой и образующих фильтровую систему на основной и удвоенной частоте сигнала [6].
ЛИТЕРАТУРА
1. Пугнин В.И. Проблемы создания мощных широкополосных многолучевых клистронов / В.И. Пугнин, А.Н. Юнаков // Радиотехника. 2004. №2. С. 17-21.
2. Исследование широкополосных многолучевых клистронов / И.Г. Артюх и др. // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1979. №11. С. 3-13.
3. А.с. № 930428. СССР. МКИ5 H01J23/18. Резонатор для несинусоидального периодического сигнала / С.Н. Голубев, В.А. Царев. Заявитель: Саратовский политехнический институт. Заявка № 2912742 от 23.04.1980. Опубл. 23. 05.1982. Бюл. № 19.
4. Мучкаев В.Ю. REZON / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011611748 от 24.02.2011 г.
5. Teryaev V.E. DISKLY code for calculation and optimization of klystrons. Proc. Int. Workshop on Pulsed RF Power Sources for Linear Colliders (RF-93). 1993. P. 161-166.
6. Пат. № 1776156. РФ. МПК6 H01J25/12. СВЧ-прибор / Д.М. Петров, В.А. Царев. Патентообладатель: Саратовский государственный технический университет (политехнический институт). Заявка № 4861322/21 от 20.07.1990. Опубл. 09.01.1995.
Царев Владислав Алексеевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Мирошниченко Алексей Юрьевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Vladislav A. Tsarev -
Dr. Sc., Professor
Department of Electronic Instruments and Devices Gagarin Saratov State Technical University
Alexey Yu. Miroshnichenko -
Ph. D., Associate Professor
Department of Electronic Instruments and Devices
Gagarin Saratov State Technical University
Чигуров Илья Олегович -
студент кафедры «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Iliya O. Chigurov -
Undergtraduate
Department of Electronic Instruments and Devices Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 12.07.12, принята к опубликованию 06.11.12
