CC BY
57
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.37/.39;621.38;621.37;621.39
И.В. Бороденкова, В.А. Царев
МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРИОДНОЙ ЧАСТИ МОЩНОГО МНОГОЛУЧЕВОГО КЛИСТРОДА-УМНОЖИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
Предложены приближенные математические модели для описания процессов модуляции электронов по плотности. Проведенное с их помощью математическое моделирование позволило определить выходные параметры и характеристики многолучевого клистрода-утроителя частоты. Показано, что такой прибор позволяет на частоте 2,45 ГГц получить выходную мощность около 80 кВт и КПД не менее 50%. Он может использоваться в устройствах промышленного СВЧ нагрева.
Клистрод, умножитель частоты, электронная пушка, СВЧ нагрев, численное моделирование, анодно-сеточная характеристика
I.V. Borodenkova, V.A. Tsarev
SIMULATING THE CHARACTERISTICS OF THE TRIODE PART FOR A POWERFUL MULTI-BEAM KLYSTRODE-FREQUENCY MULTIPLIER
The paper presents the approximate mathematical models used to describe the microwave modulation of electron density. The mathematical simulation conducted using the modulations allowed for the definition of the output parameters and characteristics of the multi-beam klistrod-frequency tripler. It is shown that the device produces the output power of about 80 kW at the frequency around 2.45 GHz, and the efficiency at least 50 %. The device can be used in the systems applied for industrial microwave heating.
Klystrode, a frequency multiplier, an electron gun, microwave heating, numerical modeling, the anode-grid characteristic
Наблюдаемый в последние годы прогресс в разработке мощных гибридных СВЧ приборов-клистродов открывает широкие перспективы их применения в телевидении и СВЧ энергетике [1]. Клистрод является гибридом СВЧ триода и клистрона. Многолучевые клистроды (МЛКД) [2] обладают рядом преимуществ по сравнению с однолучевыми приборами этого класса. Они имеют более низкие рабочие напряжения, высокий электронный КПД, малые габариты и массу. В этих приборах остаточная энергия отработанного электронного пучка рассеивается в коллекторе, а не в аноде, как в триодах и тетродах. Эта особенность конструкции МЛКД позволяет достичь очень высоких уровней выходной мощности (до 70-100 кВт) при высокой надежности и долговечности прибора. Продвижение этих гибридных приборов в сторону более коротких волн сдерживают технологические проблемы, связанные с необходимостью приближения мелкоструктурной сетки к катоду. Считается, что в настоящее время предельная рабочая частота клистрода около 1.2 ГГц. Однако в режиме умножения частоты многолучевой клистрод с дополнительным промежуточным резонатором (тристрод) [3] при работе в режиме с отсечкой катодного тока в классе «С» может быть использован и на более высоких частотах, в частности на промышленной частоте 2.45 ГГц. В этом режиме первичное формирование электронных сгустков в триодной части и их догруппировка в промежуточном резонаторе будут проходить на частоте f=816.7 МГц, а отбор энергии в выходном зазоре на частоте kf, где k=3-коэффициент умножения. Сегодня на этой частоте, как правило, работают магнетроны с выходной мощностью до 10-15 кВт. Однако для ряда промышленных применений СВЧ энергии, например для
передачи энергии на расстояние, для сушки бетонных плит, кирпичей, древесины, для разрушения твердых пород и в других случаях требуется уровень выходной мощности порядка 50-100 кВт. В этой связи представляет интерес исследование возможности создания для промышленных нужд многолучевого тристрода-умножителя с выходной мощностью выше 50 кВт и КПД не менее 50%.
Целью настоящей работы является оценка выходных характеристик мощного умножителя частоты на многолучевом клистроде с рабочей частотой 2450 МГц.
Основная задача, которую нужно решить при проектировании КСУ клистрода, выбор оптимальных значений параметров анодно-сеточной характеристики, таких как потенциал запирания, напряжение смещения, амплитуда модулирующего напряжения, крутизна.
За основу для проектирования был взят КСУ, разработанный ранее для телевизионного многолучевого клистрода [4]. Он имеет следующие параметры. Сетка изготовлена из молибдена и имеет сферическую форму с квадратными ячейками. Она характеризуется следующими параметрами: толщина сетки - 0.15 мм, размер ячейки - 0.66 мм; ширина перемычки - 0.12 мм; радиус кривизны катодной сферы - 15.8 мм; диаметр катода - 19 мм; диаметр сеточного полотна - 19.6 мм; расстояние «катод-сетка» - 0.3 мм. Радиус пролетного канала был выбран равным а = 0.75 мм.
Для расчета анодно-сеточных характеристик использовался анализ траекторий электронов с помощью двумерной программы численного моделирования электронных пушек с сеточным управлением «Кит», разработанной в СГТУ [4]. По полученным расчетным данным были построены анод-но-сеточные характеристики для трех разных ускоряющих напряжений (иа = 18 кВ, иа = 30кВ,
и = 40 кВ). Эти характеристики приведены на рис. 1.
Рис. 1. Анодно-сеточные характеристики для разных анодных напряжений: 1-11а=18 кВ, 2-11а=30 кВ, 3-11а=40 кВ, 4-аппроксимация
Величину ускоряющего напряжения можно определить, если задаться приведенным радиусом пролетного канала трубы 1, где у= 3176/Щ" , Л = 12.54 - длина волны, см. Выберем ^ = 0.97, тогда и = 40 кВ. Поэтому в качестве рабочей характеристики была выбрана кривая 3, соответствующая 40 кВ.
Обычно при расчете приборов с сеточным управлением считают, что крутизна анодно-сеточной характеристики S = а /dUg постоянна, что соответствует ее линейной аппроксимации. По
рис. 2 можно путем линейной аппроксимации (прямая линия - 4) приближенно определить крутизну
характеристики £ = / ёи = 32.7 мА/В3/2 .
а g
Тогда выражение для импульсов тока, формируемых триодной частью, будет иметь следующий вид:
, . т cos at - cos 0 i(W) =^^-^ ,
1 - cos 0
где Im - максимальный импульс тока при напряжении на сетке, равном нулю, 0 - угол отсечки катодного тока, W- круговая частота, t - время.
Амплитуду напряжения возбуждения Umg можно приближенно определить [5], задаваясь величиной угла отсечки, который для максимума третьей гармоники конвекционного тока примерно
равен 40о: U =-Im-=-6000-= 784 В.
mg S(1 - cos 0) 32.7 • (1 - cos(40°))
По полученным данным были построены импульсы катодного тока (рис. 3).
Рис. 2. Образование импульсов анодного тока при ускоряющем напряжении 40 кВ и угле отсечки 40°
Пользуясь известной методикой, применяемой для расчета триодных систем, для выбранного значения в = 40 ° находим коэффициенты Берга a0 и a3:
sin 40 0 - 0,698 • cos 40 o _1у|_ a0 =--¡—^-г-= 0,147,
0 3,14(1 - cos 40 o )
= 2(sin(3 • 40o)cos400 -3cos(3 • 40o)sin400) = 0 185 3 = 3.14 ф2 -1)(1 -cos400) ' '
По этим коэффициентам определяем постоянную составляющую анодного тока одного луча
Ia0 = a0Im и относительную величину третьей гармоники конвекционного тока Ja3 = a3 .
a m I a0 a0
Ia0 =a0 Im = 0.1476 • 0.6 = 0.882=0.1476=0.882 А. Ja3 = 0l=0I85 = 126.
l*0 a0 0.147 '
На рис. 3 представлены результаты численного расчета изменений относительных величин конвекционного тока Ja3, Ja1 вдоль пространства взаимодействия. Видно, что относительная амплитуда третьей гармоники конвекционного тока за счет догруппирования возросла примерно в 1,2 раза (с 1,26 до 1,48).
Рис. 3. Изменение относительных величин конвекционного тока JаЪ, Ja1 вдоль пространства взаимодействия По полученным результатам можно оценить величину подводимой мощности на один луч:
P = lUa
sinQ-cosQ , „Л sin0.698- cos0.698 _ , „ = 6 • 40-= 26.5 кВт.
p(1 - cos Q) p(1 - cos 0.698)
При числе лучей, равном 6, подводимая мощность будет равна 159 кВт.
Полагая КПД прибора г/е = Рвых /Р01=0,5, можно оценить выходную мощность Рвых = 80 кВт.
Следует отметить, что такая мощность недостижима в настоящее время для промышленных магнетронов, работающих на частоте 2450 МГц.
Предложенная методика и результаты расчета могут быть использованы в дальнейшем для выбора режима работы и уточненного расчета выходных параметров клистрода-умножителя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Preist D.H.and Shrader M.B. The klystrode-an unusual transmitting tube with potential for uhf-tv // proc. Ieee. Vol.70. Nov. 1982. P.1318-1325
2. Патент RU 2073283 МПК H01J25/02, H01J25/04. Клистрод В.А. Царев, А.Ю. Мирошниченко. №94024403/07; заявл. 29.06.1994; опубл. 07.10.1997.
3. Корчагин А.И. Результаты математического моделирования двухзазорных резонаторов для мощных многолучевых клистродов, работающих в режиме умножения частоты / А.И. Корчагин, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Вестник СГТУ. 2010. № 4. Вып. 3. C. 62-65.
4. Кармазин В.Ю. К вопросу моделирования и расчета электронно-оптических систем / В.Ю. Кармазин, В.А. Царев // Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов: тр. Четвертой Междунар. науч.-техн. конф. / УлГУ. Ульяновск, 2001. С. 47-48.
5. Агафонов Б.С. Расчет экспериментальных режимов УКВ и ДЦВ генераторных ламп / Б.С. Агафонов. М.: Энергия, 1966. 224 c.
Бороденкова Ирина Вячеславовна -
аспирант кафедры «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Царев Владислав Алексеевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Irina V. Borodenkova -
Postgraduate
Department of Electronics,
Yuri Gagarin Saratov State Technical University
Vladislav A. Tsarev -
Dr. Sc., Professor
Department of Electronics,
Yuri Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 17.03.15, принята к опубликованию 11.05.15
