МОЩНАЯ РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ЛБВ НА ВОЛНООБРАЗНО ИЗОГНУТОМ ПРЯМОУГОЛЬНОМ ВОЛНОВОДЕ

,

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники,

Представлена модель ЛБВ на волнообразно изогнутом прямоугольном волноводе с использованием эквивалентных четырехполюсников. В СМ-диапазоне длин волн расчетный электронный КПД нерегулярных релятивистских ЛБВ достигает 65%, полоса усиления - до 30%.

Введение

Подпись:На рис. 1 показана схема прибора [1], в котором осуществляется дискретное взаимодействие прямолинейного электронного потока с полем ТЕ волны волнообразно изогнутого прямоугольного волновода. Назовем такой волновод ‑ WB (wavy bending) волновод. Электронный поток (или несколько электронных лучей) проходит через отверстия посередине широкой стенки волновода (в максимуме поперечного электрического поля). При оптимальных длинах труб дрейфа и фазах поля в зазорах модуляция электронного потока усиливается при выполнении условий синхронизма. Для обеспечения синхронизма необходимо так подобрать длины отрезков волновода и длины труб дрейфа, чтобы электрон при движении вдоль оси Y, попадал бы в поле волны одной и той же фазы.

Основная часть

Математическая модель. Описанная ЛБВ на волнообразно изогнутом прямоугольном волноводе (TWT-WB) (рис. 1) моделируется цепочкой эквивалентных четырехполюсников. Один четырехполюсник моделирует один пространственный полупериод волнообразно изогнутого прямоугольного волновода Ввиду того, что четырехполюсники моделируют отрезки одного и того же волновода, они оказываются согласованными во всем частотном диапазоне. В модели учитываются прямые и обратные волны, возбужденные поперечным электронным потоком, силы пространственного заряда и распределенные потери в волноводе. Используются релятивистские уравнения движения. Для аппроксимации распределения коэффициентов фаз четырехполюсников применен аппарат атомарных функций. Задача возбуждения TWT WB решается методом наложения [2, 3].

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Для моделирования электронного потока используется метод крупных частиц. Электронный поток представлен, состоящим из колец (или дисков), распределенных, при y=0, равномерно на периоде . Наведенный ток в k-м зазоре с учетом безразмерных параметров вычисляется так:

где: - весовая функция пространственного распределения поля зазора рассчитывалась методом сеток; T=y/L; y - продольная координата электрона; L- длина ЛБВ; ; ; ; ; ; ; - длина зазора; ; - длина отрезка волновода; - постоянная распространения волны; - напряжение на зазоре, полученное с учетом прямых и обратных волн, возбуждаемых электронным потоком в других зазорах, рассчитывается по алгоритмам приведенным в [2].

Результаты расчетов. При выборе размеров прямоугольных волноводов, ускоряющих напряжений, токов луча необходимо учитывать следующие факторы. Угол пролета в зазорах волноводов должен быть мал. В качестве длины зазора будем считать размер узкой стенки волновода. Вставка трубок дрейфа в волновод для уменьшения зазоров, естественно, ведет к появлению отражений волны и поэтому желательно обходиться без вставок. В СМ-диапазоне при размерах узкой стенки 0,5-1,0 см лишь при ускоряющих напряжениях более 200 кВ можно получить приемлемые результаты. В связи с небольшим эквивалентным сопротивлением волновода и низким сопротивлением связи при малом токе электронного луча не удается получить эффективного взаимодействия с ЭМ волной. Только при превышении некоторого порога по току луча получаются приемлемые коэффициент усиления и КПД более 10%. Таким образом, TWT WB являются принципиально приборами большой мощности.

Подпись: Проведены расчеты нерегулярных релятивистских TWT WB с ускоряющим напряжением 500 кВ, I0=100 A, длина волны входного сигнала =3 см, размеры волновода a=3,5 см, b=d=1 см. Для числа зазоров N=33 получен электронный КПД =0,595, коэффициент усиления =28,8 дБ - вариант В1. При числе зазоров N=31, I0=50 A получен электронный КПД =0,597, коэффициент усиления =17,4 дБ - вариант В2. Для длины волны входного сигнала - =6 см, ускоряющего напряжения 500 кВ, I0=50 A, размеров волновода a=4,8 см, b=d=1 см, числа зазоров N=17 получен расчетный электронный КПД =0,652, коэффициент усиления =14,7 дБ - вариант В3.

На рис.2 приведены для варианта В2 зависимости электронного КПД и коэффициента усиления по

мощности от относительной частоты : кривая 1-электронный КПД, кривая 2 - коэффициент усиления . Видно, что полоса усиления нерегулярной ЛБВ составляет 20-30%,

Заключение

Приведенные результаты оптимизации показывают, что в СМ-диапазоне длин волн релятивистские ЛБВ на волнообразно изогнутом волноводе с ускоряющим напряжением 500 кВ, током луча 50 A могут иметь расчетный электронный КПД 65% , коэффициент усиления по мощности 15 дБ, полосу усиления до 30%.

Список литературы

1. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т.II. Электровакуумные приборы СВЧ. Под ред. . Изд. 2-е перераб. и доп., М., Высшая школа, 1972, с. 376.

2. , , Оптимизация параметров нерегулярной ЛБВ на цепочке связанных резонаторов в полосе частот // Радиотехника, 2001, №4, с.21-26.

3. Моделирование эффективных нерегулярных ЛБВ на ЦСР с использованием эквивалентных четырех - и шестиполюсников // ЭВ и ЭС, 2002,Т.7. №3. С.42-53.