Техника СВЧ (стр. 2 из 10)
Еще в сороковых годах в ряде работ отмечалось возможность повышения электронного тока при наличии широкого входного зазора в сочетании с большой амплитудой напряжения на этом зазоре. Таким образом, кроме указанной области I на рис.2.1 возможно использовать еще области II и III перспективные для создания приборов. До сих пор эти области для создания приборов не использовались и задача настоящей работы состоит в исследовании электронных процессов в этих областях и проектирование новых приборов на их основе.
Увеличение I1max/I0 клистрона происходит при изменении формы кривой, по которой сообщается скоростная модуляция электронов. Если бы скорости изменялись не по синусоидальному закону, а линейно, то можно было бы собрать в одном сечении все электроны с периода и тогда КПД был бы близок к 100%. Однако получить пилообразное напряжение на зазоре резонатора нельзя. Можно приблизиться к этому закону, если одновременно на электронный поток воздействовать напряжением первой и второй гармоник. На рис.2.3 приведена диаграмма напряжения на зазоре первых двух гармоник и их суммы. Из рисунка видно, что область фаз эффективного группирования для двухчастотной модуляции значительно больше, чем при одночастотной модуляции. Эта идея может быть реализована различными способами.
Были созданы многорезонаторные клистроны, имеющие один или два резонатора, настроенных на вторую гармонику.
Рис.2.3. К описанию электронного потока с помощью распределения тока и скоростей.
Рис.2.3 Изменение скоростей электронов при взаимодействии с полями первой и второй гармоник и их суммы.
y - область фаз эффективного взаимодействия
Можно создать такой резонатор, у которого имелись бы две собственные частоты, равные первой и второй гармонике электронного тока.
Другой способ, исследуемый в данной работе пока не нашел практического применение основан на том, что при переменном напряжении на входном зазоре, большем постоянного напряжения, тогда скоростная модуляция будет уже несинусоидальная и содержит вторую гармонику.
Появление второй гармоники можно объяснить исходя из закона сохранения энергии :
eU = eUo + eUmMsinwt,
где Um - амплитуда переменного напряжения
U0 - ускоряющее напряжение
eUmM = eUoUm/UoM = eUo2n ,
где
- коэффициент скоростной модуляции.Из закона сохранения энергии :
Таким образом, n = no(1 + 2vsinwt)1/2
Раскладывая выражение в скобках в ряд получим :
(1 + 2nsinwt1)1/2 = 1 + nsinwt - 1/2n2sin2wt
При Um<<Uo -n мало и третьим членом в формуле можно пренебречь. При Um»Uo третьим членом уже пренебрегать нельзя, т.е. появляется вторая гармоника и скоростная модуляция не будет чисто синусоидальной.
В работах Гебауэра [2] теоретически обосновывалось повышение электронного КПД автогенераторных клистронов с одним двухзазорным коаксиальным резонатором до 50%. При этом предполагалось использовать коаксиальные резонаторы “p“-вида с широким входным зазором при больших амплитудах. Теоретически выводы основывались на кинематическом представлении процессов фазовой фокусировки 12 электронов на периоде, т.е. при весьма грубых приближениях.
Повышение относительного значения первой гармоники электрического тока I1max/I0 при времени пролета равным или большем половины периода отмечено в работе [3]. Когда время пролета через зазор равно или больше половины периода, скоростная модуляция становится несинусоидальной.
После упомянутых работ Гебауэра наиболее полное и систематическое исследование процессов при взаимодействии электронов с полем широкого зазора было дано Солимаром [4]. При этом он использовал аналитическую теорию, которая может давать и неточные результаты после перегона. Из многочисленных кривых приведенных Солимаром можно отметить следующие результаты, в которых значение I1max/I0 превышает соответствующие значения при узких зазорах.
при к=10 D=1800a=0.9 bрZ=300 I1max/I0 =1.3
при к=10 D=1800a=1.5 bрZ=200 I1max/I0 =1.4
при к=5 D=1800a=1.5 bрZ=40-900 I1max/I0 =1.4
при к=10 D=2880a=1.5 bрZ=70-800 I1max/I0 =1.45
при к=20 D=5400a=0.9 bрZ=70-900 I1max/I0 =1.3
при к=20 D=5400a=1.5 bрZ=360 I1max/I0 =1.36
где к=w/wp,
wp - электронно-плазменная частота
D=wd/vo - угол пролета, где
d - ширина зазора bр=wp /vo
Z -текущая координата
a=v1/vo
На рис.2.4 приведены некоторые кривые из работ Л.Солимара, по которым можно проследить изменение I1max/I0 при изменении к,D,a, bр,Z.
Результаты исследований по рассматриваемой теме приводит в своей книге А.З.Хайков [5]. Он пишет, что используя достаточно протяженный зазор входного резонатора и большое напряжение на нем, можно добиться увеличения I1max/I0 по сравнению со значением, характерным для узких зазоров. Практически такую возможность повышения КПД целесообразно использовать в двухрезонаторных клистронах-автогенераторах, так как в усилителе на двухрезонаторном клистроне подобный режим привел бы наряду с ростом КПД к резкому уменьшению усиления . Графики на рис.2.5 показывают как изменяется величина максимальной относительной амплитуды первой гармоники тока I1max/I0 и расстояние между центрами зазоров L12 в зависимости от угла пролета во входном зазоре q1.
Первые расчеты для широких зазоров на основе дискретной модели электронного потока [6] показали лишь небольшое увеличение относительной величины тока первой гармоники I1max/I0 =1.26. Однако в последующие расчеты на основе дискретной модели подтвердили возможность увеличения I1max/I0 до 1.5 [7]. Кроме того было показано, что влияние пространственного заряда может улучшить качество группирования. Исследования, проводимые на кафедре ЭП, показали, что в сравнительно простом по конструкции клистроне можно получить КПД не менее 50% [8].
Среди работ посвященных исследованию электронных процессов в широком зазоре можно отметить статью А.И.Костиенко и Ю.А.Пирогова, опубликованную в 1962г [9], хотя авторы этой статьи решают поставленный вопрос с иных позиций. Рассмотрена возможность взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем СВЧ волны в широком плоском зазоре с эффективностью не хуже чем в узком зазоре. Взаимодействие происходит в поле волны H11 (расстояние между сетками сравнимо с длиной волны). При достаточно большой плотности входящего в зазор тока в промежутке между сетками может возникнуть неотрицательный минимум потенциала, а следовательно, распределение статического потенциала вдоль зазора будет нелинейным (рассмотрен случай с квадратным распределением). Модуляция потока электронов по скорости будет близка к синусоидальной. Изменение скоростей электронов под действием поля СВЧ тем больше, чем больше нелинейность распределения. Мощность взаимодействия потока электронов с электромагнитным полем СВЧ может принимать как положительные так и отрицательные значения, т.е. такая система может быть использована для генерирования, усиления и детектирования колебаний
| N | 1 | 2 | 3 | 4 |
| k | 10 | 20 | 30 | 10 |
| a | 1.5 | 0.9 | 1.5 | 1.5 |
| D | 2880 | 5400 | 5400 | 1800 |
рис.2.4. Зависимости первой гармоники электронного тока от bрZ при различных парметрах.
Рис.2.5. Зависимость конвекционного тока и оптимального расстояния от угла пролета
СВЧ коротковолнового диапазона. Кроме того авторы работы делают вывод, что при использовании широких зазоров не требуется высокое ускоряющее напряжение. О реализации рассмотренного механизма не сообщалось.
С 1992г на кафедре ЭП проводились работы по двум грантам по созданию двухзазорного однорезонаторного клистрона с широким входным зазором и высоким КПД. Исследования электронных процессов на основе двухмерной многослойной модели и холодные измерения резонатора показали возможность осуществления двухзазорного однорезонаторного клистрона с электронным КПД 56%, общим КПД 50% при углах пролета во входном зазоре около 3p/2 в области II (рис.2.1.). На базе приборов, выпускаемых промышленностью, спроектированы два автогенераторных однорезонаторных клистрона мощностью 2-2.5 кВт при ускоряющем напряжении 4 кВ на частоте 2450 МГц для технологических целей [10] На рис.2.6 приведены зависимости максимальных относительных амплитуд первой гармоники тока от угла пролета во входном зазоре для различных x1 , полученные при расчете электронных процессов.
Дальнейшие исследования проводились при q=3p. На рис.2.7 приведены зависимости из работы [11], полученные для равномерного поля. Из рис.2.7 видно, что максимальный КПД получаемый при равномерном поле составляет 45%. В работах [10,11] все расчеты по исследованию электронных процессов проводились с использованием ЭВМ. Программа расчета основана на методе конечных разностей для расчета электрических полей и модели потока из деформирующихся элементов. Подробно эта программа описана в работе [11].
При расчете электронных процессов в реальных полях, проводимых на кафедре электронных приборов, было обнаружено значительное влияние структуры поля на эффективность электронных процессов. Эффективность процессов получалась выше при неравномерных полях.