Проектирование тороидального резонатора. Проектирование линейного группирователя

              . 1.3. Проектирование тороидального резонатора.

В пролетных клистронах средней сантиметрового и коротковолновой части децимет­рового диапазона применяют тороидальные резонаторы с формой поперечного сечения, приведенной на рис.1 Для проектирования используют математические модели разного уровня. Наиболее строгие модели высшего уровня основаны на системе уравнений Мак­свелла для электромагнитного поля, распределенного в объеме резонатора, и численных ме­тодах решения этих уравнений. Такие модели называются распределенными.

Рис.1. Тороидальный резонатор.

В данной ра­боте используются более простые (сосредоточенные) модели, основанные на представлении резонатора в виде эквивалентной схемы с сосредоточенными постоянными рис.2.

Рис.2. Эквивалентная схема тороидального резонатора.

   Харак­теристическое сопротивление, добротность и длина волны, определяются соотношениями:

ρ = 60 ∙ π ∙ L / λ₀  =  16,7 / π ∙ ( C1+C2 )

Q = R / ρ              λ₀ =   5.95 √L ∙ ( C1-C2 )

При расчете резонатора мы решаем задачи параметрического синтеза и параметриче­ской оптимизации. В задаче синтеза мы добиваемся наиболее удобной конструктивной формы, а также возможно большее значение характеристического сопротивления. Задача параметрической оптимизации решается для выходного резонатора с целью получения мак­симальной полосы пропускания. При условии, что амплитуда переменного напряжения на зазоре выходного резонатора равна Uo/M, полоса пропускания определяется как:

∆f / f0 = I1 ∙ M 2 ∙ ρ ∙ G0  / I0

Где fo- резонансная частота; Ii- амплитуда первой гармоники конвекционного тока в сере­дине зазора; Iо - ток луча; М - усредненный по сечению потока коэффициент взаимодейст­вия; Go - проводимость луча; Uo - ускоряющее напряжение.

Внутренними параметрами являются размеры резонатора a, d, r1, r2, h рис.3 из них управляемыми параметрами в данном случае являются два - ширина зазора взаимодействия d и высота резонатора h.

 Длина зазора d и высота резонатора h выбираются из следующих соображений. Минимальная высота резонатора определяется шириной зазора, то есть hmin = d, а максимальная высота hmax ограничена расстоянием между центрами зазоров со­седних резонаторов. В клистронах оптимальная длина пролётных труб уменьшается от пер­вой к последней и самым коротким является расстояние Ln-1 между зазорами предпоследнего и выходного резонаторов. При одинаковой высоте резонаторов это расстояние с учётом толщины стенки определяет размер hmax.

Оптимальная длина последнего пролёта определяется из условия получения режима группирования, переходного от режима колебаний к режиму перегона. При этом на входе в зазор последнего резонатора образуется узкий сгусток без перегонов электронов с мини­мальным разбросом скоростей.

При выборе длины зазора d следует исходить из следующих соображений. При увели­чении величины d, с одной стороны, увеличивается характеристическое сопротивление за счёт уменьшения эквивалентной ёмкости, а с другой стороны, уменьшение М. Рекоменду­ется предварительно выбрать d в пределах (1...1,5)∙а, меньшие значения относятся к длинно­волновым клистронам, большие к коротковолновым. При изменении d в процессе проекти­рования необходимо следить за выполнением условия: N>0,7.

Результаты проектирования тороидального резонатора

          Исходные данные:

        Длина волны (Cм)               DV=   6.500

        Ток луча (A)                   I0=    1.050

        Ускоряющее напряжение (B)      U0= 10112.000

        Радиус электронного потока (Cм) B=   0 .11

        Радиус пролетной трубы (Cм)     A=   0 .160

        Радиус торца зазора (Cм)       R1=   0 .220

        Радиус начала стенки (Cм)      A1=   0 .320

1.4. Проектирование линейного группирователя.

Многорезонансные клистроны обычно используются для усиления СВЧ сигналов в оп­ределенной полосе частот, которая определяется на уровне половины мощности. Резонанс­ный блок клистрона с относительно небольшой полосой пропускания можно условно разде­лить на выходной резонатор, линейный и нелинейный группирователи. Выходной резонатор настраивается на среднюю частоту и его параметры должны быть такими, чтобы обеспечить заданную полосу частот пропускания. Линейный группирователь работает в малосигналь­ном режиме, собственные частоты его резонаторов лежат в пределах полосы пропускания. Резонаторы нелинейного группирователя для обеспечения группирования вокруг электронов примерно одной и той же фазы настраивается на высокие частоты, лежащие за пределами полосы пропускания.

В обычных относительно узкополосных клистронах усилительные свойства нелиней­ного группирователя в пределах полосы пропускания мало зависит от частоты. Поэтому при  правильно выбранных параметрах выходного резонатора частотная характеристика прибора, в основном, определяется частотной характеристикой линейного группирователя. Для обес­печения полосы пропускания изменение в её пределах первой гармоники конвекционного тока, сформированного линейным группирователем, и возбуждающего первый резонатор нелинейного группирователя, не должно превышать определённой величины.

На рис. 5 приведена амплитудно-частотная характеристика 5-резонаторного клистрона, на оси f отмечены собственные частоты его резонаторов. Первый и второй резонаторы с частотами f 1 и f 2 образуют линейный группирователь, третий и четвертый резонаторы с частотами f 3 и f 4 образуют нелинейный группирователь, выходной резонатор настроен на среднюю частоту пропускания  f 5 и f ср.  В обычных относительно узкополосных клистронах усилительные свойства нелинейного группирователя в пределах полосы пропускания мало зависят от частоты. Поэтому при правильно выбранных параметрах выходного резонатора частотная характеристика прибора, в основном, определяется характеристикой линейного группирователя. Для полосы пропускания изменение в ее пределах первой гармоники конвекционного тока, сформированного линейным группирователем, и возбуждающего первый резонатор нелинейного группирователя, не должно превышать определенной величины.

Рис.5. Амплитудно-частотная характеристика 5-резонаторного клистрона.

                      Pвх

                     Рmах 

                       

                0.5Рmax

 

              

                                       F2       F5      F1           F3     F4        F         

За счет взаимной расстройки резонаторов линейного группирователя не всегда удается получить достаточно плоскую частотную характеристику. В таком случае приходится ис­кусственно уменьшать добротности этих резонаторов,  внося дополнительные потери. На практике это достигается, например, путём нанесения графитового покрытия на внутрен­нюю поверхность резонаторов. В результате холодные добротности резонаторов линейного группирователя оказываются меньше добротности резонаторов нелинейного группирова­теля.

Процесс проектирования линейного группирователя по программе Lin_grup5 заключается в определении параметров резонаторов Qi, fi, числа резонаторов Nл и входной мощности Рвх, при которых получается удовлетворяющая нас частотная характеристика линейного группи­рователя Iконв=F(f). В исходном варианте частотная характеристика рассчитывается для двухкаскадного группирователя при холодной добротности резонатор Qx =6212, получен­ной по программе Rez4. Резонаторы настраиваются на крайние частоты полосы пропускания fl==fcp-0,5∆f,   f2=fcp+0,5∆f. Если перепад значений конвекционного тока в пределах по­лосы пропускания превышает 30% от максимального значения, то в режиме диалога прово­дится подбор числа каскадов и значений Qi, fi, обеспечивающих заданную полосу пропуска­ния линейного группирователя на уровне 0,71_конmах. Кроме того, если входная мощность ока­зывается избыточной и происходит перевозбуждение группирователя, то входная мощность Рвх уменьшается при соответствующем увеличении коэффициента усиления Кр.