Исследование многомодового режима взаимодействия электронов с свч-полем в однозазорных резонаторах для приборов клитронного типа



В статье описываются результаты исследования и сравнения различных конструкций резонаторов для приборов клистронного типа, работающих на основном (2450 МГц) и высшем (4900 МГц) видах колебаний с помощью программы трехмерного электромагнитного моделирования. Приведены результаты расчетов собственных частот, электронных и электродинамических параметров.

Ключевые слова: прибор клистронного типа, однозазорный резонатор, многомодовый режим взаимодействия, эффективное характеристическое сопротивление, электронный коэффициент полезного действия.

В наше время многолучевые приборы клистронного типа [1] находят широкое применение в различных областях науки и техники. Усилители и генераторы на их основе используются в устройствах промышленного СВЧ нагрева [2], радиолокации, системах цифрового телевидения, ускорительной технике, медицине и др. Расширение областей применения этих требует расширения частотного диапазона, увеличения выходной мощности.

Большой интерес представляют приборы клистронного типа, использующие в группирователе резонаторы, работающие одновременно на двух кратных частотах. Такие резонаторы позволяют улучшить выходные параметры изделий с сохранением массогабаритных параметров, в виду отсутствия необходимости использования дополнительных резонаторов второй гармоники для реализации режима несинусоидальной скоростной модуляции.

Однако такие приборы слабо изучены, а их расчет и проектирование затруднены из-за трехмерного характера протекающих процессов и большого количества влияющих факторов. Разработка и исследование таких приборов являются одними из актуальных задач современной вакуумной электроники СВЧ.

В настоящей работе представлены результаты расчета электронных и электродинамических параметров различных конструкций однозазорных резонаторов для приборов клистронного типа, а также их сравнение по показателю критерия качества.

На рисунках 1–4 изображены 3d-модели исследуемых однозазорных ступенчато-неоднородных резонаторов для приборов клистронного типа. Конструкции 1 и 4 имеют круглую форму окна резонатора, конструкции 2 и 3 — квадратную. Так же конструкции 1 и 2 имеют дополнительные вырезы для настройки кратности резонансных частот.

Рис. 1. 3d-модель первой конструкции резонатора	Рис. 2. 3d-модель второй конструкции резонатора
Рис. 3. 3d-модель третьей конструкции резонатора	Рис. 4. 3d-модель четвертой конструкции резонатора

На рисунках 5–8 представлены схематические изображения резонаторов, с обозначением основных размеров. Размеры приведены в таблицах 1–4.

Рис.5. Основные геометрические размеры первой конструкции резонатора	Рис.6. Основные геометрические размеры второй конструкции резонатора
Рис.7. Основные геометрические размеры третьей конструкции резонатора	Рис.8. Основные геометрические размеры четвертой конструкции резонатора

Таблица 1

Основные геометрические размеры первой конструкции резонатора

r1, мм	r2, мм	r3, мм	h, мм	l1, мм	l2, мм	l3, мм	d, мм	a, мм
6,96	15,070	18,956	23	4,865	9,006	8,7	5,3	1,54

Таблица 2

Основные геометрические размеры второй конструкции резонатора

r1, мм	r2, мм	S/2, мм	h, мм	l1, мм	l2, мм	l3, мм	d, мм	a, мм
6,96	15.19	18.72	22.8	4.4	8.8	8.7	5,3	1,54

Таблица 3

Основные геометрические размеры третьей конструкции резонатора.

r1, мм	r2, мм	S/2, мм	l1, мм	l2, мм	d, мм	h, мм	a, мм
6.96	13.81	17.99	19.2	8.7	5.3	33.2	1.54

Таблица 4

Основные геометрические размеры четвертой конструкции резонатора

r1, мм	r2, мм	r3, мм	l1, мм	l2, мм	d, мм	h, мм	a, мм
6.96	14	19.7	19.4	8.7	5.3	33.4	1.54

Результаты расчетов электронных и электродинамических параметров (ρ — характеристическое сопротивление, M — коэффициент взаимодействия, G_e/G₀ — активная составляющая относительной электронной проводимости) исследуемых резонаторов, при ускоряющем напряжении U₀ = 10 кВ и коэффициенте заполнения пролетного канала b/a = 0,7, представлены в таблице 5.

Таблица 5

Основные электронные иэлектродинамические параметры резонаторов

Конструкция	Параметры	F, МГц	ρ, Ом	М	Ge/G0	Q
Первая	Вид 1	2450	46,28	0,89276	0,09101	3037
	Вид 2	4900	23,13	0,6268	0,19193	6000
Вторая	Вид 1	2481	52,167	0,89016	0,09283	3126
	Вид 2	4900	33,43	0,6268	0,19193	5573
Третья	Вид 1	2452	51,2	0,8926	0,09113	3811
	Вид 2	4904	31,9	0,6263	0,19196	6220
Четвертая	Вид 1	2442	52,7284	0,89324	0,09054	3883
	Вид 2	4906	33,3857	0,62605	0,19199	6330

Из таблицы 5 видно, что наибольшую величину характеристического сопротивления в центральном пролетном канале на двух видах колебаний имеет вторая конструкция резонатора. Все типы конструкции резонаторов имеют высокие значения коэффициента взаимодействия М на двух рабочих видах колебаний. Значения активной составляющей электронной проводимости G_e/G₀ всех типов конструкций находятся в положительной области, что обеспечит отсутствие самовозбуждения резонаторов.

Для сравнения резонаторов воспользуемся коэффициентом качества [3], который рассчитывается по формуле , где ρM² — эффективное характеристическое сопротивление, H — высота резонатора, λ — длина волны. Результаты расчета коэффициента качества резонаторов представлены в таблице 6.

На рисунке 9 представлена гистограмма нормированного коэффициента качества. За 1 принято значение коэффициента качества первого резонатора на первом виде колебаний. Как видно из графика, наибольший коэффициент качества имеет второй вариант конструкции. Наименьший коэффициент качества имеет третий вариант конструкции. Отсюда следует, что наиболее перспективной для применения в группирователях приборов клистронного типа является второй тип конструкции, соответствующий максимуму отношения эффективного характеристического сопротивления на единицу длины резонатора.

Таблица 6

Результаты расчета коэффициента качества резонаторов

Тип конструкции	F, МГц	, Ом
Первая	2450	0,393
	4900	0,048
Вторая	2481	0,438
	4900	0,071
Третья	2452	0,301
	4904	0,046
Четвертая	2442	0,309
	4906	0,048

Структура № 1	Структура № 2	Структура № 3	Структура № 4

Рис. 9. Коэффициенты качества К_кач исследованных резонаторов

Литература:

1. Королев А. Н., Лямзин В. М., Мамонтов А. В., Симонов К. Г. СВЧ-прибор клистронного типа (варианты). Патент на полезную модель № 2390870, г. Фрязино, 2010.

2. Морозов О., Каргин А., Савенко Г., Требух В., Воробьев И. Промышленное приминение СВЧ-нагрева // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2010. № 3

3. Царев В.А,, Мирошниченко А. Ю., Смирнов С. В. Нелинейный критерий подобия тороидальных резонаторов // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы XIX междунар. Крымской конф., 14–18 сент. 2009 г., Севастополь, Крым, Украина. — Севастополь, 2009. — С. 139–140.