Научная статья на тему 'Теория и расчет Гиро-ЛБВ на нерегулярном коаксиальном волноводе'

Теория и расчет Гиро-ЛБВ на нерегулярном коаксиальном волноводе Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
63
12
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
теория возбуждения волны / Гиро-ЛБВ / оптимизация

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — С В. Колосов, А А. Кураев, А А. Лавренов

В статье приведена теория возбуждения волны Н01 в нерегулярном коаксиальном волноводе, основанная на методе преобразования координат. Как пример использования этой теории приведены результаты оптимизации нерегулярной Гиро-ЛБВ

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — С В. Колосов, А А. Кураев, А А. Лавренов

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE THEORY AND CALCULATION OF GYRO-TWT ON IRREGULAR COAXIAL WAVEGUIDE

In article the theory of excitation of a wave H01 in irregular coaxial waveguide, based on a method of coordinates transformation is developed. As an example of use of this theory, the results of optimization irregular Gyro-TWT are given

Текст научной работы на тему «Теория и расчет Гиро-ЛБВ на нерегулярном коаксиальном волноводе»

2005

Доклады БГУИР

июль-сентябрь

№ 3 (11)

УДК 621.385

ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ ГИРО-ЛБВ НА НЕРЕГУЛЯРНОМ КОАКСИАЛЬНОМ ВОЛНОВОДЕ

С В. КОЛОСОВ, А.А. КУРАЕВ, А.А. ЛАВРЕНОВ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 19 апреля 2003

В статье приведена теория возбуждения волны Н01 в нерегулярном коаксиальном волноводе, основанная на методе преобразования координат. Как пример использования этой теории приведены результаты оптимизации нерегулярной Гиро-ЛБВ.

Ключевые слова: теория возбуждения волны, Гиро-ЛБВ, оптимизация.

Уравнения возбуждения нерегулярного коаксиального волновода

Общая теория возбуждения произвольно-нерегулярного коаксиального волновода (61=61(г,ф), Ь2=Ь2(г,ф)) развита в [1], где использован метод преобразования координат [2]. Там Ь1 — радиус внутренней поверхности коаксиального волновода, а Ь2 — радиус внешней поверхности. Мы воспользуемся тем же методом и введем аналогичное [1] преобразование коор-

динат:

Р = 0,5 +

r - b - 2b1 + b2

2( - b) 2(2 - b)

или r = p2(b2 - b ) + 2b1 - b2.

(1)

Тогда в новой системе координат уравнения Максвелла для волны Н01 могут быть записаны следующим образом [1]:

1

V

V

( dH Р dH'\

dz dp

( dEL „

-a1 +-

dEL 2 , 2 —' a2 + J ' a2,

dt L

dE'

( dH Р

dz

"a3 ! = -Ц

dt

-a +-

dHl

dt

(4)

Здесь V = а1 [а2 • а3 ]. В новой системе координат азимутальная вспомогательная компонента электрической напряженности поля (ре[0,5;1]) примет вид

■0(Хо1р) ^0(Хо1р)

E' = A ¿Le = Aj

ф ф J

J0(Xoi/2) N0(xoi/2)

J®t

(5)

где Xm — корень дисперсионного уравнения

J0(Xoi) - N0(xoi) = J0(Xoi/2) N0(xoi/2)

= 0, Xoi=4,39428.

Умножив первое уравнение (4) на a , второе на a , а затем на a , получим следую-

щие контравариантные компоненты уравнений Максвелла:

a2 = S0

1

3

0

141=- -К §■ -+'' - }•

д г

= ^ Ж. ,

{ д г

д г

дЕ' „ГсН ,3 дН'

ф _

др

= ^Е13 + ^Е33

д г

д г

22 ^ 2 ^ 2 11 13 ^ 1 ^ 3 33 ^3 ^ 3

Здесь Е = аа , е = йй , е = а а , е = аа = 1 — составляющие метрического тензора О. Полученную систему уравнений можно разрешить относительно азимутальной составляющей электрического поля Е ' . При этом получим следующее уравнение:

дЕ; 1 дЕ;IИ^1 -(е )}} ё% ^ +дЕ;Л

дг2 -2( -(е 13)2) --(Е13)2| 2( -(Е13)2) дР2 —

д2Е; 1

дЕ; 1 д

д г — др

Е

13

—(-(

2 22 22 = -(тш02(1080е Е; + Е Л•

Е ) V

(7)

Физические компоненты напряженности электрического поля будут пересчитываться через вспомогательные напряженности Е в преобразованной системе координат по формулам [1]

Е;геа1 = Ке(Е'р| о!; )= Яе

Н геа1 = Яе(( а р+ Н '• аг)

А е;р е]Ш 2(^2 - ¿1 )р

Л

Нг Геа1 = Яе

удашо^о

2(Й2 - ¿1)

дА е - де е ; А-

13

д2 р др р

Н^ = Яе

Г -1 А де,

V 7дашо^о Р др

1

Е'1 + (

(8)

Р 2Ь1 - Ь2

Здесь р = р +—-г . Введем безразмерные переменные следующим образом:

2(Ь2 - ¿1)

п0А „ , „2л п

Ат =——, г = /—, Ь = В—. В соответствии с неполным методом Галеркина умножим с X 0 X 0

00

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

* - утЮ0^

уравнение (7) на е;е 0 и проинтегрируем левую и правую части уравнений по поперечному

сечению и периоду ВЧ поля. В итоге получим следующее уравнение в нормированных переменных:

2

1

ё2 Ат

•!ц1

А

- 2

ё г1 ёг

3(Ь'- Ь')

Ь'- Ь,'

V 2

Ь2 - Ь1

1 + 1112 Р'

_ + 2(Ь'- Ь1)2р'

Ь2 - Ь1 Ь2 - Ь1 Ь2 - Ь1

+ 1212 (^')2 + 10

1 + 4(Ь2 - Ь1 )2(р')2 4(Ь2 - Ь1 )2

+111

1 + 4( - ь )2 (р')2 + (Ь'- Ь;)(2Ь1 - Ь2)'

4(Ь2 - Ь1 )2

2(2 - Ь )3

Ь''- Ь;' + 2(Ь' - Ь;)2 ь2 - Ь; (Ь2 - Ь; )2

2(Ь2 - Ь')(5'

Ь2 - Ь1

+ I о

+ 1'11

уотст А Рф,- р

-I

ф,- Ь/ ~зтТ,

е

Здесь о = /0п0Ц0/с = 10[А]• 0,73723-10-3 — токовый параметр; вф = иф/с, вг = иг/о — нормированные азимутальная и продольная скорости электронов; пе — число электронов на ларморовской орбите; т = ш/ш0 — относительная рабочая частота; Т=ю01 В уравнение (9) входят следующие интегралы от базисных функций:

д е,

'• д е.

т ;ефефрёр т Г^ф ■* ё т г

1'11 = ^^-' 1012 = ефрё р ' Т''2 = ]

1 еф р ^р

д

0.5 р д еф

0.5

0.5

I = _ I = г

212 J ~2 ' -'113 J

еф р ёр

д2 еф

^„2 ф!

д

С р ёр

Р

; д2 е

10'3 = ^ ефрё р.

0.5

(10)

Интегралы Т012 и Т013 могут рассчитываться один раз при запуске программы расчета, а остальные интегралы приходится пересчитывать на каждом шаге интегрирования дифференциальных уравнений, так как они являются функциями от продольной координаты.

Волновой КПД волны Н01 в нормированных параметрах определяется так:

Г';; т = , _ ; 1т

(1 - ^0 )

то

ё г

(11)

Здесь Я0 = у] 1 - в — релятивистский фактор.

Начальные условия для уравнения возбуждения (9) можно записать в виде

КеМ (0))=. 1Кп (1 - ^0 У'о, 1т(

((0))=М-Эт°. >т( (0))=0,

V Я0пГ111 V

(

Яе

ёАт (0)1 =

(

ё г

= 0, 1т

ёАМ ! = -у

ёг I

Яе((Ат (0).

(12)

Входящие в (12) параметры определяются следующим образом:

I -1

Кт = Р1П/Г010 — параметр входной мощности; V = т--——--Ц—.

4(Ь2 - Ь1 ) IШ

Для правой границы можно ввести коэффициент отражения волны по формуле

+

012

т

212

0.5

0.5

т

г2 =-

1Ат

ё г

+ /V А

А

т

ё г

(13)

- /V А„,

Уравнения движения ,-й заряженной частицы в поле Н01 волны нерегулярного коаксиального волновода и неоднородном магнитостатическом поле имеют вид

ёЦ- = -у Ё+Р^-ЫН/+ ку,)-Рх(Рх,Ех+Ру,Еу,+рг,Ег,)], ^ = -]Т {Е»-№+Рг,(Нх,+ -Ру,(Рх,Ех,+Ру,Еу,+рг,Ег,)],

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

= Е + Р* (Ну, + ^) - р у, (Нх, + ) - рг,[рг,,Ег, + р уЕу1 + рД,)],

Ох,

ёТ

-^ = В ,/в = р ,/в ,,—^ = 1/В

7 г х, I г, э 7 г у, ' 7 гг.

аг иг

(14)

Здесь приняты следующие обозначения:

Ц 0еН0( г)

= Р 0^ г

ш0

^ = 41-Р2, -Ру -Р;, к (г)

Рф, =-Рх, яп(Ф,2+Ру С08(фД

17 Г к Г • Л, = —-соэф,, г. = —-эт;,

х 2 ёг ^ у 2 ёг ^

г = Vх, + у,2, = агсгЕ(у/ хX

Ех, + Е = -, эт ;, + ./Др, • шэ ,

Е;,= Яе| ГАте;е"

Нх, + /Нуг = Нг, С0Э + Щп эт

де,„ Г Ь2 - ь

Нгг = 1т

у, г,

Г"' 'те • е/тТ - А

т

0А4т

V

ё

г

др

2

V Ь2 - Ь1

р + р

Л Л

/тТ

/(2т (¿2 - ¿1)

V у

Н, = 1т

ГААт ^^(4т(Ь2 - ¿1 )2)

др

(15)

Начальные условия к системе уравнений (14) при отсутствии начальной модуляции электронного потока могут быть заданы в виде

Фг (0) = — (• - 1),Р Фг (0),

рУ (0) = р1оСС8 Фг (0),ргг (0) = рг0,

в г 0 =р0^л/1+^Г ,Рю = Р г 04; X (0) = ^ +Рю/( ^ (0) ^ССЗ Фг,

у (0) = Рю /(^ (0)^0)в1п Фг,

Т = 0.

"Электронный" КПД в использованных обозначениях определяется как

= 1 А1 - V Ъ (*) П (г) N ¿0 1 - Ъ ■

(17)

На базе приведенной выше теории была создана программа расчета и оптимизации ги-рорезонансных приборов на нерегулярном коаксиальном волноводе.

Результаты расчетов

Вначале была проведена оптимизация Гиро-ЛБВ с регулярным коаксиальным волноводом и получены следующие параметры: К0=450 кВ; /0=540 А; д=у/^=1,5; Кп=Рт/¥010=0,01; ^=#/#3=1,4714; &=2яЬД=3; §2=2яЬ2Л,=6,36; /=!Л,=4,75. КПД такого прибора достигает 39 %. Основные интегральные характеристики такой Гиро-ЛБВ приведены на рис. 1.

Рис. 1. Характеристики Гиро-ЛБВ с регулярным коаксиальным волноводом

На этом рисунке приведены следующие кривые: gl и g2 — нормированные радиусы внутренней и внешней поверхностей коаксиального волновода; — функция группировки электронного потока; р1 и Р2 — нормированные поперечная и продольная средние скорости электронов; А — амплитуда бегущей волны; Е£й — КПД. Здесь показано, что электронный поток с радиусом ведущего центра гчС проходит как раз посередине между внутренней gl и внешней g2 поверхностями коаксиального волновода. К концу волновода наблюдается хорошая фазовая поперечная группировка электронов в сгустке (уменьшается значение функции группировки и электронный поток отдает свою энергию бегущей И0\ волне (растет КПД), при этом растет и амплитуда бегущей волны Ат.

Поиск оптимальных распределений магнитостатического поля Е, профилей внутренней и внешней поверхностей коаксиального волновода, g1 и £2 привел к повышению КПД до 49 %. На рис. 2 приведены интегральные характеристики этого варианта Гиро-ЛБВ.

Рис. 2. Характеристики нерегулярной Гиро-ЛБВ: Е — нормированное значение магнитостатического поля

Оптимальным профилем коаксиального волновода, как это видно из рис. 2, является расширяющийся профиль внутреннего цилиндра и сужающийся — внешнего.

Похожая картина наблюдалась и в случае просто цилиндрического волновода [4]. Там тоже оптимальным по КПД был сужающийся к концу рабочей области профиль волновода. Магнитостатическое поле при этом имеет многогорбую структуру с явным повышением к концу рабочей области, что позволяет дополнительно отобрать мощность от пучка электронов в результате преобразования продольной энергии электронов в поперечную.

Рис. 3. Сравнительные характеристики регулярной и нерегулярной Гиро-ЛБВ. а — частотные характеристики Гиро-ЛБВ; б — влияние начального углового скоростного разброса электронов на КПД

Как видно из рис. 3,а нерегулярная Гиро-ЛБВ имеет более широкую полосу усиления — 27% вместо 18% для регулярной Гиро-ЛБВ.

Начальный же угловой разброс скоростей электронов имеет большее влияние на нерегулярную Гиро-ЛБВ (рис. 3,б), особенно при больших уровнях углового разброса скоростей электронов.

На рис. 3,б dq определяет величину полного разброса параметра q=V_L/Vz. При расчетах была использована 5-поточная модель электронного потока для учета углового разброса и в каждом потоке учитывалось 16 электронных крупных частиц.

THE THEORY AND CALCULATION OF GYRO-TWT ON IRREGULAR COAXIAL WAVEGUIDE

S.V. KOLOSOV, A.A. KURAYEV, A.A. LAVRENOV Abstract

In article the theory of excitation of a wave H01 in irregular coaxial waveguide, based on a method of coordinates transformation is developed. As an example of use of this theory, the results of optimization irregular Gyro-TWT are given.

Литература

1. Кураев А.А // Весщ НАН Беларуси Сер. ф1з-тэхн. навук. 1999. № 4. С. 60-65.

2. Свешников А.Г. // Изв. вузов. Радиофизика. 1959. Т. 29. С. 720-723.

3. Kurayev A.A., Kolosov S.V., Stekolnikov A.F., et al. // Int. J. Electronics. 1988. Vol. 65, N. 3. P. 437-462.

4. Кураев А.А., Ковалев И.С., Колосов С.В. Численные методы оптимизации в задачах электроники СВЧ. Мн., 1975.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.