CC BY
14
Доклады БГУИР
2013 № 7 (77)
УДК 621.385.6
СРАВНЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ВЫСОКООРБИТНОЙ ГИРО-ЛБВ И ПЕНИОТРОННОГО УСИЛИТЕЛЯ НА Бл МОДЕ
СВ. КОЛОСОВ
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 3 октября 2013
Приведены результаты сравнения по КПД, полосе усиления, коэффициенту усиления и начальному угловому разбросу скоростей электронов высокоорбитной гиро-ЛБВ и пениотронного усилителя. Показано, что пениотронный усилитель обладает большим КПД и мощностью по сравнению с высокоорбитной гиро-ЛБВ, но имеет более узкую полосу усиления.
Ключевые слова: высокоорбитный гиротрон, пениотрон.
Введение
Проблема генерации и усиления электромагнитных колебаний большой мощности на частотах более 200 ГГц остается весьма актуальной задачей в электронике больших мощностей [1]. Дело в том, что эффективность использования гиротронов традиционной конструкции - основных источников высокой мощности в миллиметровом диапазоне - резко понижается в диапазоне субмиллиметровых волн по двум причинам: на первой и даже второй гармониках циклотронной частоты невозможно обеспечить необходимый уровень магнитной индукции магнитного поля, при работе же гиротрона на 3, 4-й и высших гармониках циклотронной частоты КПД резко понижается. На это неоднократно обращалось внимание [2, 3]. Так, если на частотах (100...170) ГГц в квазинепрерывном режиме гиротроны обеспечивают выходную мощность (1,5.2) МВт, то уже на частоте 300 ГГц на гиротроне достигнут уровень выходной мощности 1,75 кВт [4]. Потенциально более перспективным при работе на высоких гармониках представляется пениотрон [5]. Однако непосредственного сравнения эффективности гиротронов и пениотронов на высоких гармониках циклотронной частоты при одинаковых параметрах электронного потока и электродинамической системы не проводилось.
В статье приведены результаты такого сравнения с использованием математической модели, развитой в [6, 7], в которой учтены все значимые факторы: многомодовость (Еи и Ни моды), условия согласования на границах области взаимодействия и учет потерь в стенках волновода.
Результаты расчета гиро-ЛБВ
Моделирование процессов в гиротроне и пениотроне осуществлялось с помощью компьютерной программы ОУЯО-К из программного комплекса «КЕДР» [8].
Поперечное сечение области взаимодействия и распределение модуля электрической напряженности поля для пениотрона и высокоорбитного гиротрона на вращающейся по азимуту Н41 моде изображено на рис. 1.
Рис. 1. Распределение модуля напряженности электрического поля в поперечном сечении волновода для моды Н41: 1 - начальные траектории электронов для гиротрона; 2 - траектории электронов для
пениотрона
резонансного
Их конструкции идентичны, различно лишь значение индукции магнитного поля для азимутального индекса п = 4 электромагнитной волны Н41:
( о V1 1
- для гиротрона В = 0 0
^ 4е
- для пениотрона В°р = 4 В°.
Здесь юо - опорная угловая частота поля в диапазоне усиления; то - масса покоя электрона; е - заряд электрона; ро = ^^ - нормированная продольная скорость электронов, вф -
продольная фазовая скорость волны Н41; во - полная нормированная скорость электронов.
Как следует из рис. 1, начальный радиус вращения электронов для гиро-ЛБВ больше чем для пениотрона в силу меньшего значения магнитостатического поля, а это значит, что электроны гиро-ЛБВ находятся в более сильном электрическом поле, чем электроны в пениотроне и поэтому для работы гиро-ЛБВ будет требоваться меньший ток, чем для работы пениотрона.
При расчетах были выбраны следующие параметры электронного потока и волновода: начальная нормированная скорость электронов - во = 0,5542, питч фактор - q = — = 1,27,
нормированный радиус волновода - g = —— = 5,38,
нормированная длина волновода -
I = —^ = 1—5,6 .
^ (г) = (*>
Для расчета гиро-ЛБВ значение нормированного магнитостатического поля составляло 1,748 -1011 ... .
что почти в 4 раза меньше циклотронного
• В \Т 1
—^ = 0,—783.
®о 2п • /о \Щ
значения. Для недопущения попадания на вход гиро-ЛБВ возбуждаемой в выходной секции встречной волны по середине волновода была помещена волноводная вставка с поглощающим покрытием с удельным сопротивлением 1092 [мкОмсм] длиной 25 [рад].
Оптимизация гиро-ЛБВ по рабочему току, магнитостатическому полю и радиусу волновода позволила достигнуть КПД = 19 %, что для четвертой гармоники циклотронной частоты является очень хорошим результатом, с учетом того, что на первой гармонике достигается КПД порядка 45 % для тех же параметров электронного потока. На рис. 2 изображены интегральные характеристики полученного варианта гиро-ЛБВ.
V
На рис. 2 штриховкой отмечен участок волновода с поглощающим электромагнитную энергию покрытием. Кривые 5 и 6 показывают, что часть энергии, которую отдает электронный поток волне Н41, теряется (около 2 %), т.к. одновременно с возбуждением попутной волны возбуждается и встречная волна, которая затем поглощается в волноводной вставке.
0,2
/
/ 2 \
X
/ : --
4 5 ^
0 20 40 60 80 100 120
т
Рис. 2. Интегральные характеристики гиро-ЛБВ: 1 - функция фазовой группировки электронов; 2 - радиус волновода Ык, 3 - нормированная поперечная скорость электронов; 4 - нормированный средний радиус вращения электронов; 5 - электронный КПД;
6 - волновой КПД
Оптимизированные параметры приняли следующие значения: нормированное значение
п м
электронного тока - о = 0010 = 0,13123 -10310[А] = 0,04, что соответствует току I = 54 [А],
с
радиус волновода - g = 5,4082, магнитостатическое поле - ^ = 0,27828, коэффициент усиления Кус = 30дБ.
На рис. 3 приведены фазовые траектории электронов.
Рис. 3. Фазовые траектории электронов гиро-ЛБВ
Фазовые траектории показывают, как формируется фазовый сгусток электронов, который затем отдает энергию волне и разгруппировывается.
На рис. 4 приведены частотные характеристики гиро-ЛБВ. Из него следует, что полоса усиления гиро-ЛБВ составляет около 3,5% и волновой КПД (КПД-в) немного меньше электронного КПД (КПД-в), т.к. возбуждаемая встречная волна поглощается в средней вставке волновода. Расчеты гиро-ЛБВ с разбросом питч-фактора А^/^=0,5 показали, что КПД при этом снижается до значения 11 %.
Результаты расчета пениотронного усилителя
Значение нормированного магнитостатического поля для пениотрона будет приближено к 0,36. Расчеты пениотрона показали, что КПД усилителя может достигать 49 % (рис. 5), причем встречная волна почти не возбуждается электронным потоком. Поэтому наблюдается совпадение волнового и электронного КПД. Однако, в силу уменьшения коэффициента связи электронного потока с электромагнитной волной в пениотроне по сравнению с высокоорбитной гиро-ЛБВ за счет меньшего радиуса вращения электронов, такой результат достигается при большем токе электронного потока и уменьшенном коэффициенте усиления.
Г
2 ^
/ / тш» / /
/
л ^ 1 ......./....... у
/
0 20 40 60 80 100 120
г
Рис. 5. Интегральные характеристики пениотрона: 1 - радиус волновода Ь/Х; 2 - нормированная амплитуда волны Н41; 3 - нормированная поперечная скорость электронов; 4 - электронный и волновой КПД
В результате оптимизации были получены следующие значения поисковых параметров: ^ = 0,36048, я = 5,4122, а = 0,3431, Кус = 27 дБ.
Рис. 6. Распределение модуля напряженности электрическиго поля в продольном сечении волновода пениотрона
На рис. 6 видно, как возрастает напряженность электрического поля возбуждаемой волны по длине лампы и как она прижата ко внутренней поверхности волновода.
Полоса усиления пениотрона составила 1,5 % (рис. 7), но максимальный КПД достигает 49 %. Расчеты влияния углового скоростного разброса электронов показали, что для Дд/д = 0,5 КПД пениотрона снижается до 16 % (рис. 8). КПД 0 6
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
КПД-е
г с
1 1 \
/
1 к ЦП-в \---
т0
0,99 1 1,01 1,02 1,03 1,04
Рис. 7. Частотные характеристики пениотронного усилителя
Рис. 8. Распределения нормированных поперечных скоростей электронов по длине прибора для 5-компонентной модели разброса питч-фактора д
Расчеты показали, что даже такой большой угловой скоростной разброс электронов в пучке не приводит к резкому уменьшению КПД, что говорит об устойчивости работы пениотрона по отношению к изменению параметров электронной пушки.
Заключение
Сравнение результатов расчетов высокоорбитной гиро-ЛБВ и пениотронного усилителя при одной и той же их конструкции показало, что:
- для работы гиро-ЛБВ требуется меньший ток электронного потока (в 8 раз по сравнению с пениотроном) и она обеспечивает коэффициент усиления на 3 дБ выше, чем пениотронный усилитель;
- полоса усиления у гиро-ЛБВ составляет 3,5 %, в отличие от пениотронного усилителя с полосой усиления 1,5 %;
- максимальный электронный КПД пениотронного усилителя достигает 49 %, а КПД высокоорбитной гиро-ЛБВ только 19 %.
Оба варианта усилителей оказались устойчивы к начальному угловому разбросу скоростей электронов. Можно сделать вывод, что высокоорбитная гиро-ЛБВ может применяться в качестве усилителя при выходной мощности порядка 6 МВт, а усилительный пениотрон будет обладать мощностью в 8 раз большей, чем высокоорбитная гиро-ЛБВ. Однако КПД пениотроного усилителя в 2,5 раз больше, чем у высокоорбитной гиро-ЛБВ.
COMPARISON OF OPPORTUNITIES OF LARGE-ORBIT GYRO-TWT AND
PENIOTRON ON MODE H41
S.V. KOLOSOV Abstract
The results of the comparison in terms of efficiency, the band gain, the gain and the initial angular spread of the electron velocities for large-orbit gyro-TWT and peniotron amplifier are given. It is shown that the peniotron amplifier has a higher efficiency and power compared with large-orbit gyro-TWT, but has a narrower band of amplification.
Список литературы
1. Rosker M. J., Wallace H. B. // IVEC 2008. P. 5-7.
2. Братман В.Л. // Тез. лекц. и докл. Саратовской школы по радиофизике и электронике СВЧ. Саратов, 2009.
3. Глявин М.Ю., Лучинин А.Г., Мануилов В.Н. и др. // Тезисы лекц. и докл. Саратовской школы по радиофизике и электронике СВЧ. Саратов, 2009.
4. Zapevalov V. E., Saito T, Nakano T. et al. // IVEC 2007. P. 345-346.
5. Кураев А. А. // Радиотехника и электроника. 1990. Т. 35, № 6. С. 1278-1283.
6. Колосов С. В., Кураев А. А. // ЭВиЭС. 1998. Т. 3, № 4. С. 35-44.
7. Колосов С.В., Кураев А.А., Сенько А.В. // Техника и приборы СВЧ. 2009. № 2. С. 8-13.
8. Колосов С.В., Кураев А.А., Синицын А.К., Аксенчик А.В. Компьютерный программный комплекс «КЕДР» (CEDR) / Свидетельство о регистрации компьютерной программы № 389.
