Повышение эффективности многолучевых микроволновых генераторов с многозазорными резонаторами - Автореферат

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наукРабота выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Царев Владислав Алексеевич- Официальные оппоненты: Фурсаев Михаил Александрович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., профессор по кафедре «Электротехника и электроника» Защита состоится «20» июня 2012 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»Kostov и др.), значительно возрос интерес к приборам СВЧ, имеющим средние углы пролета через электродинамическую систему, таким как монотрон, генератор тормозящего поля (ГТП), отражательный клистрон, низковольтный виркатор, клистрод. Актуальность настоящей работы в научном аспекте определяется тем, что электродинамические характеристики многоканальных многозазорных резонаторных систем (РС) недостаточно исследованы: не изучены особенности взаимодействия пространственно-развитых электронных потоков с РС; не найдены оптимальные условия взаимодействия, требуемые для получения высокого электронного КПД; не изучено влияние электродинамических характеристик РС на выходные характеристики резонансных автогенераторов с распределенным взаимодействием при работе с термо-и автоэмиссионными катодами в различных частях микроволнового диапазона. Актуальность темы в прикладном аспекте определяется тем, что создание новых малогабаритных, высокоэффективных источников СВЧ-энергии требует новых конструктивных решений как прибора в целом, так и отдельных его узлов; новые знания, полученные в диссертационной работе, будут использованы в учебных программах по специальности «Электронные приборы и устройства» и направлению «Электроника и наноэлектроника». Целью диссертационной работы является исследование физических процессов обмена энергией между электронным потоком и ВЧ электрическим полем в простых по принципу взаимодействия и конструкции мощных многолучевых СВЧ-генераторах с многозазорными резонаторами и источниками тока на основе термо-и автоэмиссионных катодов; нахождение оптимальных параметров, обеспечивающих наибольший электронный КПД и выходную мощность в разных частотных диапазонах. Установлено, что на частоте 2450 МГЦ максимальный электронный КПД (около 50%) многолучевого монотрона с трехзазорным резонатором на 2?-виде колебаний достигается на второй зоне генерации (при равных длинах зазоров и втулок и нарастающей по ходу движения электронов амплитуды ВЧ-поля) для режимов, соответствующих областям углов пролета с максимальным отрицательным значением электронной шунтирующей проводимости.

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них две статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получено положительное решение на выдачу патента на изобретение. Заявка на изобретение: Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев «Мощный СВЧ-генератор монотронного типа» № 2011133860 от 11.08.2011 проходит экспертизу по существу.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 137 страниц, включая 4 таблицы, 98 рисунков, 46 формул, список использованной литературы состоит из 68 наименований.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты всех расчетов получены автором самостоятельно, кроме того, в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов и формулировке выводов, составляющих основу публикаций.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы: обосновывается актуальность проведенных исследований, сформулированы научная новизна и практическая значимость результатов, указаны апробация и публикации основных результатов, перечень основных положений, выносимых на защиту диссертации.

Первая глава представляет собой обзор литературы современного состояния в области разработок мощных СВЧ-генераторов со средним углом пролета через пространство взаимодействия. Для разных практических приложений анализируются возможности создания на новой конструктивной базе (многолучевые электронно-оптические системы, резонаторы распределенного взаимодействия) различных типов классических приборов: монотронов, отражательных клистронов, виркаторов, ГТП. Отмечается связь параметров резонаторов с выходными параметрами приборов для различных частотных диапазонов.

Наибольший практический интерес, например, для СВЧ-нагрева и передачи энергии на расстояние, представляет создание мощных монотронных генераторов с выходной мощностью от 5 до 50 КВТ и электронным КПД не менее 50%.В результате проведенных расчетов и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача по улучшению выходных параметров многолучевых микроволновых генераторов с многозазорными резонаторами.

1. Разработана методика численно-аналитического моделирования электродинамических характеристик многозазорных резонансных систем монотронов и других многолучевых генераторов со средними углами пролета, позволяющая оперативно выбрать режим работы на противофазном и высшем синфазных типах колебаний.

2. Предложены конструкции электродинамических систем монотронных генераторов с неоднородным распределением электрического поля в резонаторах (с оптимальным соотношением амплитуд нормированной напряженности электрического поля в пространстве взаимодействия, при котором она нарастает по направлению к выходному зазору), с повышенным характеристическим сопротивлением и добротностью и хорошим разделением частот рабочего и высших видов колебаний: - трехзазорный резонатор имеет следующие параметры: частота 2450 МГЦ, рабочий вид - синфазный высший вид колебаний, характеристическое сопротивление - 51 Ом, собственная добротность - 3736, h/? =0.76, число каналов - 14, диаметр канала - 3 мм, радиус S =25.5 мм;

- четырехзазорный резонатор имеет параметры: частота 2450 МГЦ, рабочий вид - синфазный высший вид колебаний, характеристическое сопротивление - 83 Ом, собственная добротность - 3741, h/? =1.037, число каналов - 14, диаметр канала - 3 мм, радиус S=25.5 мм;

- четырехзазорный резонатор - частота 430 МГЦ, рабочий вид - противофазный вид колебаний, характеристическое сопротивление - 17.85 Ом, собственная добротность - 1492, h/? =0.154.

3. Теоретически и экспериментально показана возможность создания многоканального двухзазорного резонатора с кратными частотами синфазного и противофазного видов колебаний ( ) для ГТП с МАЭК. Повышение КПД этих приборов достигается за счет несинусоидальной модуляции.

4. Проведено численное моделирование нелинейной динамики электронного потока в многозазорных резонансных системах монотронов с неоднородным распределением ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия с учетом поля объемного заряда с помощью дисковой модели клистрона.

При этом установлено, что в предложенных конструкциях мощных монотронных генераторов с пространственно-развитыми электронными потоками при суммарном микропервеансе около 4 МКА/В3/2 возможно получение на частоте 2.45 ГГЦ следующих значений электронного КПД и выходной мощности: - 49% и 40 КВТ для приборов с трехзазорным резонатором при работе на 2?-виде колебаний;

- 57% и 50 КВТ для приборов с четырехзазорным резонатором при работе на 2?-виде колебаний;

- 55% и 5 КВТ для генератора с четырехзазорным резонатором при работе на ?-виде колебаний на частоте 430 МГЦ.

5. Выявлено, что предельные, близкие к многорезонаторному клистрону, значения электронного КПД в многолучевых монотронах с трехзазорным (около 50%) и четырехзазорным (около 60%) резонаторами обеспечиваются на синфазном виде колебаний при нелинейном режиме взаимодействия с коэффициентом использования напряжения ?<2.0.

6. Предложены рекомендации по выбору оптимальной конструкции многолучевых монотронов с трех- и четырехзазорными резонаторами, работающих в длинноволновой и в средневолновой частях диапазона длин волн. Определены конструктивные параметры электронной пушки, обеспечивающей формирование парциального пучка с микропервеансом 0.25-0.3 МКА/В3/2 при ускоряющих напряжениях 11.7 и 13.3 КВ и коэффициенте заполнения пролетного канала . Электронно-оптическая система прибора содержит 14 парциальных пушек.

7. Экспериментально установлено, что в многолучевом низковольтном виркаторе с предмодуляцией электронного потока возможно получить электронный КПД около 30%.

8. Экспериментально показано, что при несинусоидальной скоростной модуляции в исследованной схеме ГТП с двухзазорным резонатором и термоэлектронным катодом электронный КПД может достигать 30%, что примерно в 10 раз больше, чем в обычном отражательном клистроне.

9. Для работы в коротковолновой части микроволнового диапазона предложена новая конструкция ГТП с несинусоидальной скоростной модуляцией и с системой матричных автоэмиссионных катодов с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии с отражательного электрода, введенного в объем двухзазорного резонатора. В новом приборе (за счет использования вместо однозазорного резонатора двухзазорного, возбуждаемого на кратных резонансных частотах) обеспечивается получение более высокой эффективности взаимодействия электронного потока с полем электромагнитной волны и увеличивается выходная мощность в 2-3 раза.

ПУБЛИКАЦИИ по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Акафьева, Н.А. Приближенные аналитические выражения для расчета электронных параметров бессеточного клистронного резонатора / Н.А. Акафьева, В.А. Царев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 4(60). Вып. 2. С. 86-91.

2. Акафьева, Н.А. Оптимизация выходных параметров мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на синфазном виде колебаний / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Журнал радиоэлектроники (электронный журнал). 2012. №1.

Патент на изобретение

3. Положительное решение на выдачу патента по заявке № 2011104833; Российская Федерация, МПК7 H01J25020. СВЧ-генератор с матричным автоэмиссионным катодом с отражением электронного потока / В.А. Царев, Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко - заявл. 09.02.2011; опубл. 21.02.2012.

Публикации в других изданиях

4. Акафьева, Н.А. Экспериментальное исследование гибридного СВЧ-прибора с двумя виртуальными катодами / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С.177-182.

5. Акафьева, Н.А. Исследование мощного многолучевого микроволнового автогенератора с четырехзазорным резонатором / Н.А. Акафьева, В.А. Царев, А.С. Абрамов // Математические методы в технике и технологиях. - ММТТ-21: сб. трудов ХХІ Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 7. Секции 9, 14 / под общ. ред. В.С. Балакирева. Саратов: СГТУ, 2008. С. 179-181.

6. Акафьева, Н.А. Численное моделирование режимов работы мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2008. С. 176-181.

7. Акафьева, Н.А. Применение метода нелинейного подобия для расчета параметров пространственного заряда релятивистских электронных пучков с различной формой поперечного сечения / Н.А. Акафьева, В.А. Царев, Д.А. Сальникова // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2008. С. 181-187.

8. Акафьева, Н.А. Мощный СВЧ-автогенератор с резонатором распределенного взаимодействия / Н.А. Акафьева, В.А. Царев // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т. Т. 1. Саратов: СГТУ, 2009. С. 216-219.

9. Акафьева, Н.А. Оптимальный выбор параметров пространственного заряда электронного пучка в СВЧ-приборах клистронного типа / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы науч.-техн. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. С. 48-51.

10. Акафьева, Н.А. Исследование мощного монотрона с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на противофазном виде колебаний / Н.А. Акафьева, В.А. Царев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2009. С. 17-19.

11. Акафьева, Н.А. Исследование трехзазорного резонатора мощного многолучевого автогенератора монотронного типа / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: Издат. центр «Наука», 2010. С. 181-184.

12. Акафьева, Н.А. Экспериментальное исследование СВЧ-генератора с тормозящим полем, выполненного на основе двухзазорного резонатора / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев, И.С. Бирюков // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: Издат. центр «Наука», 2010. С. 184-190.

13. Акафьева, Н.А. Экспериментальное исследование низковольтного виркатора с предмодуляцией электронного потока / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев, И.С. Бирюков // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: Издат. центр «Наука», 2010. С. 190-196.

14. Акафьева, Н.А. Некоторые результаты экспериментальных исследований низковольтного виркатора / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев, И.С. Бирюков // Хаотические автоколебания и образование структур (ХАОС-2010): материалы IX Междунар. шк. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2010. С. 159-161.

15. Akafyeva, N.A. Power multibeam monotron generator with distributed interaction cavity / N.A. Akafyeva // Modeling in applied electromagnetics and electronics: Collected scientific papers. Saratov: Saratov University Press, 2010. Issue 10. P. 68-71.

16. Акафьева, Н.А. Мощный СВЧ-генератор с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на синфазном виде колебаний / Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Севастополь, Украина. 2011. С. 259-261.

Размещено на .ru