Широкополосные выходные электродинамические системы многопоточных усилительных клистронов сантиметрового диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

' На правах рукописи

ЛГ Для служебного пользования

М Экз. N /

ГЕРАЩЕНКО Олег Владимирович

УДК 621.385.6

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ВЫХОДНЫЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МНОГОПОТОЧНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КЛИСТРОНОВ САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте на факультете физической и квантовой электроники.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Пасманник В.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Солнцев В.А., кандидат физико-математических наук Кейер А.П.

Ведущая организация: Институт радиотехники и

электроники РАН

Защита состоится 1998 г. в /6 часов на

заседании диссертационного совета Д.063.91.03 в Московском физико-техническом институте по адресу: 141700, г.Долгопрудный Московской области, Институтский переулок,9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан " Дя. 199% г.

Учёный секретарь диссертационного совета

В.А. Скорик

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одна из важнейших проблем радиотехники - проблема расширения полосы частот и увеличения выходной мощности радиоусилителей, в частности, усилительных клистронов. Эта проблема наиболее актуальна в коротковолновых диапазонах. В диссертации указанная проблема рассмотрена для клистронных усилителей сантиметрового диапазона.

Актуальность. Расширение полосы частот достигается увеличением произведения эффективного волнового сопротивления выходного резонатора на ток электронного потока, делённого на ускоряющее напряжение и путём использования фильтровых систем, которые включают выходной резонатор, нагрузочный волновод и включённый между ними корректирующий резона-торный фильтр. Увеличение мощности широкополосных усилителей достигается в основном за счёт увеличения тока, поскольку повышение напряжения при постоянном токе приводит к сужению полосы.

С целью увеличения волнового сопротивления были предложены многозазорные резонаторы. Широкое применение нашли наиболее простые двухзазорные резонаторы, которые позволили расширить полосу в 1.5-2 раза.

При увеличении числа резонаторов фильтровой системы полоса монотонно возрастает, стремясь к пределу. Применяются фильтровые системы второго и третьего порядков. Системы более высокого порядка существенно усложняют технологию настройки и дают незначительный выигрыш по полосе согласования. С внедрением фильтровых систем полоса рабочих частот была увеличена в 2-3 раза (Пасманник В.И.).

Увеличение тока и уменьшение ускоряющего напряжения при прочих равных приводит к возрастанию сил пространственного заряда. Для преодоления негативных проявлений этих сил были предложены и внедрены (Бернье, Зусмановский С.А.,

Королёв C.B., Лебединский C.B., Невский П.В.) многолучевые электронно-оптические системы. Чем больше лучей при заданном общем токе, тем меньше нежелательное влияние пространственного заряда. Однако, число лучей ограничено сверху технологическими трудностями изготовления, особенно в коротковолновых диапазонах. Кроме того, увеличение общего тока при заданной площади зазора взаимодействия приводит, независимо от числа лучей, к возрастанию магнитного поля, необходимого для фокусировки этих лучей. Внедрённые многолучевые системы позволили увеличить общий первеанс усилителей в 5-20 раз. Увеличения тока достигают увеличением площади катода и плотности тока с эмитгирующей поверхности. Увеличение плотности тока приводит к сокращению срока службы катода и, как следствие, усилителя. Увеличения площади эмиттера достигают как увеличением площади зазора взаимодействия так и применением криволинейных катодов (Невский П.В.), чья площадь поверхности за счёт искривления превосходит площадь зазора взаимодействия. В сантиметровом диапазоне в рамках многолучевых конструкций применение искривлённых катодов существенно усложняет технологию изготовления усилителей. В настоящее время многолучевые криволинейные катоды внедрены только в дециметровом диапазоне.

Для увеличения площади зазора взаимодействия используют электродинамические системы, работающие на критической (или близкой к ней) частоте (Панов П.В., Пасманник В.И.) и системы, в которых электроны взаимодействуют с полем в пределах нескольких пучностей (Королёв C.B., Зырин С.С.). Получили распространение волноводы, работающие на критической частоте и свёрнутые в кольцо- кольцевые резонаторы. Применение кольцевых резонаторов с одновременным ограниченным снижением ускоряющего напряжения позволяет увеличить и выходную мощность и рабочую полосу частот. Основ-

ной недостаток регулярных волноводов на критической частоте в том, что они не передают энергию вдоль своей оси. Как следствие, разные отрезки достаточно большой длины (к/2 или более) такого волновода элекромагнитно слабо связаны друг с другом. Это обстоятельство при увеличении длины волновода обуславливает трудности с широкополосным выводом мощности и с регулировкой резонансной частоты в пределах широкой полосы. Кольцевые резонаторы нашли применение в дециметровом диапазоне и в длинноволновой части сантиметрового диапазона (эти диапазоны не требует технологической подстройки частоты) при длине кольца не более 3/2А,.

В реферируемой работе изучаются электродинамические системы с несколькими пучностями поля Е, конкретно, системы нескольких связанных резонаторов, нагруженные на выходной волновод и работающие на нескольких видах колебаний (Зырин С.С.). Каждый резонатор пронизывается своим электронным потоком. Электронные потоки могут быть как однолучевыми, так и многолучевыми. За счёт использования нескольких электронных потоков и нескольких видов колебаний можно увеличить и выходную мощность и суммарную рабочую полосу частот усилителей пропорционально числу потоков, что и обуславливает актуальность представляемой работы. До момента начала работы были предложены связанные системы, работающие на нескольких видах колебаний в узкополосном режиме, в котором каждая рабочая полоса в несколько раз меньше нерабочих интервалов между соседними полосами (Зырин С.С.). Однако, потребителей широкополосных усилителей интересуют, как правило, полосы без нерабочих интервалов, либо с возможно меньшими нерабочими интервалами. Электродинамические системы усилительных клистронов, обеспечивающие работу в нескольких полосах с небольшими нерабочими интервалами

(меныне величины отдельной рабочей полосы), к моменту начала диссертационной работы исследованы не были.

Во-первых, уменьшение нерабочих интервалов приводит в выходной электродинамической системе усилителя (при одно-модовом нагрузочном тракте) к возрастанию взаимного мешающего действия сближающихся видов. Мешающее взаимодействие имеет место и во входной электродинамической системе также при условии одномодовости входного тракта. Это взаимодействие не было изучено ко времени начала диссертационной работы.

Во-вторых, известно неравенство Бодэ, определяющее максимально достижимую полосу согласования (при заданном коэффициенте отражения) с LCR цепью эквивалентного гармонического генератора тока с внутренней проводимостью. Однако, в литературе отсутствуют строгие формулировка и доказательство подобного неравенства для цепей с несколькими генераторами. Указанное неравенство необходимо для создания теоретических основ проектирования широкополосных многоре-зонаторных выходных электродинамических систем усилителей с несколькими электронными потоками (многопоточных усилителей). Практический интерес представляет выяснение условий достижения максимально возможной полосы.

Наконец, известно равенство, выражающее зависимость коэффициента отражения мощности волны, падающей на полость по входному волноводу от величины рассогласования выходного волновода. Однако, в литературе отсутствует подобное соотношение для коэффициента отражения суммарной мощности нескольких волн, падающих на полость по нескольким входным волноводам, в зависимости от величины рассогласования выходного волновода, в котором суммируются мощности входных волн. Знание реакции устройств суммирования мощностей на рассогласование нагрузки необходимо при проектировании на-

грузочных трактов многопоточных усилителей (входные волноводы устройства суммирования вместе с генераторами падающих волн рассматриваются в данном случае как эквивалент электронных потоков).

Таким образом, нерешённые вопросы касаются, в основном, выходных электродинамических систем усилителей.

Целью работы является разработка теоретических основ нового направления проектирования СВЧ-усилителей - многопоточных многополосных широкополосных клистронов с небольшими нерабочими интервалами (меньше чем отдельная рабочая полоса). Электродинамическая система такого клистрона построена на основе нескольких активных многорезонатор-ных систем, каждая из которых работает на нескольких видах колебаний.

Научная новизна. В работе рассмотрена выходная электродинамическая система многопоточных усилительных клистронов, которая работает в нескольких частотных полосах, соответствующих видам колебаний активной многорезонатор-ной системы. Рассмотрены задачи

1. нахождения максимально достижимой рабочей полосы частот (при заданном коэффициенте передачи мощности в нагрузку) и условий её реализации,

2. выяснения природы мешающего взаимодействия рабочих видов колебаний,

3. ослабления мешающего взаимодействия,

4. определения влияния рассогласования нагрузочного тракта на эффективность работы выходной электродинамической системы.

Первая задача решена для произвольного количества потоков в приближении эквивалентных цепей с использованием метода контурного интегрирования в комплексной плоскости. Вторая задача решена для распределённых электродинамиче-

ских систем с использованием приёма обращения времени. Полученный результат конкретизирован в приближении сосредоточенных цепей. Третья задача решена для двухпоточных усилителей. Четвёртая задача решена для произвольного распределённого устройства суммирования мощностей, которое включает несколько входных и один выходной волноводы, с использованием приёма обращения времени. Полученный результат применён к эквивалентным цепям.

Практическая ценность. Исследования, составляющие существо диссертации, позволили выбрать оптимальный вариант построения электродинамической системы мощного двухпо-точного вакуумного СВЧ усилителя (клистрона) коротковолновой части сантиметрового диапазона. И выходная мощность и суммарная рабочая полоса частот изготовленных образцов в два раза больше, чем мощность и полоса прототип-ного усилителя с одним электронным потоком.

Основные защищаемые положения.

1. Для любой линейной, пассивной, не обязательно взаимной цепи, ко входам которой подключены N генераторов гармонического тока с внутренними проводимостями с произвольными зависимостями амплитуд и фаз от частоты, шунтированные паразитными емкостями, справедливо неравенство, ограничивающее полосу согласования генераторов с цепью:

где 1(<ю) - столбец (размерности Ы) комплексных амплитуд токов генераторов,

р - коэффициент отражения суммарной мощности генераторов,

Уп - внутренняя проводимость генератора с номером "п", Сп - паразитная ёмкость, шунтирующая входную пару номер "л" зажимов цепи,

причём среди линейных цепей, включающих отрицательные сопротивления, существуют сверхширокополосные цепи, т.е. цепи, не удовлетворяющие приведённому неравенству.

2. Для каждой электродинамической системы, нерезони-рующей на произвольно заданной частоте со, включающей полубесконечный одномодовый волновод с идеально проводящими стенками (связанный с произвольной нагрузкой) и полость без внутренних источников с идеально проводящими стенками (нагруженную на волновод) и возбуждаемой произвольным гармоническим током (ограниченным в пространстве), комплексная амплитуда объёмной плотности которого является чисто вещественной функцией, функция вещественной части ЯеЕ^г) электрического поля, соответствующего произвольному возбуждающему току ^(г) (частоты со) и произвольному коэффициенту отражения Г] (Г^1) нагрузки волновода и функция ЯеЕ2(г), соответствующая любому другому току ]2(г) (частоты со) и любому другому коэффициенту отражения Г2 (Г2^1), линейно зависимы, причём функции 1тН](г) и 1тН2(г) также линейно зависимы.

3. Для любого линейного, пассивного, не обязательно взаимного устройства суммирования мощностей двух эквивалентных генераторов, включающего одно единственное активное сопротивление полезной нагрузки, рабочие полосы, соответствующие синфазному и противофазному режимам суммирования, разделены принципиально неустранимым нерабочим интервалом, а применение более чем одного сопротивления полезной нагрузки позволяет осуществить устройство, работающее в перекрывающихся полосах.

4. Для любого устройства суммирования мощностей, включающего несколько входных и один выходной волноводы и полость (с идеально проводящими стенками без внутренних источников), связывающую входные волноводы с выходным,

справедливо равенство, определяющее реакцию устройства

суммирования на рассогласование выходного волновода:

/ \ .2

p3-pi = (1-pi)

1 - |Г|

1 -

1 - Г _ Г 2

причём

= Р

опт

где рз - коэффициент отражения на входе суммарной мощности, падающей на полость по входным волноводам, соответствующий рассогласованной выходной нагрузке с комплексным коэффициентом отражения по напряжению Г, р1 - коэффициент отражения суммарной мощности, соответствующий согласованной нагрузке выходного волновода, Г2 - комплексный коэффициент отражения по напряжению волны, падающей на полость со стороны выходного волновода, при условии подключения ко входным волноводам согласованных нагрузок. Ропт - наименьшее значение коэффициента отражения суммарной мощности входных волн (для рассматриваемого устройства суммирования на рассматриваемой частоте) в пространстве амплитуд и фаз этих волн.

Апробация. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на НТС НИИ "Исток", на трёх научных конференциях Московского физико-технического института, на научном семинаре кафедры радиофизики физического факультета МГУ. Они отражены в трёх публикациях.

Объём и структура диссертации. Обьём диссертации составляет 225 страниц, из них 42 страницы с рисунками. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ.

Во Введении даётся обоснование актуальности темы диссертации. Формулируется цель работы.

В первой Главе предложены и изучены LC цепи для согласования с сопротивлением нагрузки двух и четырёх эквивалентных гармонических генераторов тока (другими словами, цепи суммирования мощностей генераторов) соответственно в двух и четырёх диапазонах частот. Генераторы работают одновременно и на одной частоте.

В § 1.1 приведены LCR схемы 1-3 прототипных устройств с одним генератором и предлагаемые устройства суммирования в нагрузке R мощностей двух (устройства 4-9) и четырёх (устройства 10-12) генераторов. Приведены схемы СВЧ конструкций на объёмных резонаторах сантиметрового диапазона. Цепи 4-12 предложены с целью расширения рабочей полосы частот и увеличения выходной мощности радиоусилителей. Рассматриваемые цепи включают параллельные LC контуры, сопротивление нагрузки, элементы связи между контурами и гармонические генераторы с внутренними проводимостями. Во всех рассматриваемых схемах для всех контуров один из двух зажимов заземлён. Связь между двумя контурами осуществляется индуктивностью, включённой между незаземлёнными зажимами этих контуров. Подключение генератора с внутренней проводимостью к некоторому контуру осуществляется присоединением зажимов генератора к зажимам контура. Такой контур назван активным или входным. Активных контуров может быть несколько. Пара зажимов, к которой подключён генератор, назван входной парой. Контур, к зажимам которого подключено сопротивление нагрузки, назван нагруженным или выходным.

Прототипная цепь 1 включает один единственный контур, который одновременно является и входным и выходным. Цепь 2

включает два связанных контура: входной и выходной. Цепь 3 представляет собой цепочку трёх связанных контуров, причём первый контур цепочки является входным, а последний-выходным.

Устройство 4 включает два связанных активных контура и, соответственно, два генератора. Один из контуров является нагруженным. Устройство 7 включает пару связанных контуров номер 1,3 и пару связанных контуров 2, 4. Эти пары контуров расположены рядом, так, что контур 1 связан с контуром 2, контур 3-е контуром 4. Контуры 1, 2 являются активными, контур 4 - нагруженным. Устройство 9 включает цепочку трёх связанных контуров номер 1,3, 5 и цепочку связанных контуров 2, 4, 6. Цепочки расположены рядом, так, что контур 1 связан с контуром 2, контур 3-е контуром 4, контур 5-е контуром 6. Контуры 1, 2 являются активными, контур 6- нагруженным. Цепь 5 отличается от описанной цепи 7 тем, что связь между контурами номер 2 и 4 отсутствует. Цепь 6 отличается от цепи 9 тем, что отсутствует связь между контурами 1, 3 и отсутствует связь между контурами 4, 6. Наконец, цепь 8 отличается от цепи 9 отсутствием связи между контурами 4, 6.

В § 1.2 введены обозначения основных величин, используемых в последующих разделах. Для цепей 4-9 даны определения синфазного, противофазного и оптимального режимов передачи мощности. В синфазном режиме равны как амплитуды генераторов так и фазы. В противофазном режиме амплитуды генераторов равны, а фазы отличаются на п. В оптимальном режиме амплитуды и фазы генераторов на каждой частоте соответствуют наибольшему коэффициенту передачи для рассматриваемой цепи. Режим с заданными амплитудами и фазами, которые не зависят от частоты, назван фиксированным. Коэффициент передачи суммарной мощности генераторов в сопротивление нагрузки обозначен т|. Коэффициент отражения мощно-

сти, равный для реактивных согласующих цепей 1-г), обозначен р. Режимы, для которых сдвиг фаз между токами генераторов равен нулю или тс, названы сфазированными. Импеданс цепи со стороны зажимов контура номер "п" обозначен 2п . Функции вещественной части импедансов Ке2п(со) и Яе2к(со) (п^к) на частоте га по определению имеют общую точку, если Ке2п(со)=Ке2к(со).

В § 1.3 рассмотрены примеры работы устройств 4-9 в двух полосах. Приведены значения параметров Ъ^ а>п К цепей (волновые сопротивления контуров, парциальные резонансные частоты контуров, коэффициенты связей между контурами и добротность выходного контура). Полосы отличаются полярностью включения возбуждающих генераторов и разделены нерабочим интервалом. По полосе рабочих частот цепь 4 сравнивается с прототипной цепью 1, цепи 5, 7- с цепью 2, цепи 6, 8, 9-с цепью 3. Показано, что предложенные устройства не только осуществляют эффективное сложение мощностей генераторов, но и реализуют удвоенную рабочую полосу частот по сравнению с полосой соответствующего прототипного устройства передачи при одинаковом согласовании при условии, что нерабочий интервал достаточно велик. При уменьшении нерабочего интервала суммарная полоса уменьшается за счёт взаимного мешающего воздействия сближающихся полос.В качестве характерного значения нерабочего интервала выбрано такое значение, при котором суммарная рабочая полоса уменьшается на 10% по сравнению с предельной величиной, к которой стремится суммарная полоса частот при увеличении нерабочего интервала. Для цепей 4-9 характерные значения нерабочего интервала, нормированного на полосу соответствующего прототипного устройства,равны 10.9, 4.5, 3.3, 0.84, 0.60, 0.31. Для применения в мощных СВЧ-усилителях рекомендованы схемы 9 и 7 (из числа схем 4-9). Если допустимый нерабочий интервал больше ве-

личины отдельной рабочей полосы, то наряду с цепью 9 можно использовать более простую схему 7. Схема 9 позволяет уменьшить нерабочий интервал до « 1/3 величины отдельной полосы (а при учёте необходимых технологических запасов на краях полос согласования до « 1/2 величины отдельной полосы) и несколько расширить рабочую полосу по сравнению со схемой 7. Кратко рассмотрены цепи 10-12, предназначенные для согласования четырёх генераторов тока с сопротивлением нагрузки в четырёх полосах в учетверённой суммарной полосе частот.

В § 1.4 задачи работы проиллюстрированы на конкретных примерах § 1.3.

Во второй Главе найдены фундаментальное ограничение на полосу согласования нескольких генераторов с линейной пассивной цепью при заданном коэффициенте отражения и условия реализации максимально достижимой полосы.

В § 2.1 установлена связь максимально достижимой полосы согласования (при заданном коэффициенте отражения) с входными характеристиками цепи. Сформулировано и доказано обобщение неравенства Бодэ на цепи сложения- основное Положение 1. Обосновано, что произведение полосы согласования на минус логарифм наибольшего в этой полосе коэффициента отражения не может превосходить правой части неравенства Положения 1.

Введена аналитическая функция ри(р) комплексной частоты р, обобщающая функцию коэффициента отражения по напряжению на цепи с несколькими генераторами:

Р. (Р)

где Z - матрица импедансов цепи относительно входных

пар зажимов (проводимости Уп отключены от цепи),

У - диагональная матрица с числами Уп на диагонали.

Показано, что квадрат модуля этой функции на заданной частоте и равен произведению всех экстремальных значений коэффициента отражения мощности рО<э, I) как функции переменной I. Доказано, что для достижения максимально возможного значения интеграла от 1п 1/р(1ю, 1(со)) по частоте достаточно одновременного выполнения трёх условий:

1) аналитическая функция ри(р) не имеет нулей в правой полуплоскости комплексного переменного р

2) комплексные амплитуды 1„ (п=1,..1Ч) суммируемых генераторов на всех частотах имеют оптимальные значения

3) сопротивление полезной нагрузки является единственным, а согласующая цепь включает только реактивные элементы.

Получено фундаментальное ограничение на полосу согласования при условии, что комплексные амплитуды 1„ генераторов заданы и не зависят от частоты. Пусть все входные пары зажимов шунтированы паразитными емкостями. Пусть, для простоты, все значения Уп равны некоторой величине У, а все значения Сп - величине С. Тогда интеграл от 1п1/р(1со,1(со)) по частоте не может превосходить 2лУ/С независимо от того, какие именно значения комплексных амплитуд выбраны, т.е. предельное значение интеграла в N раз меньше, чем в том случае, когда комплексные амплитуды на каждой частоте имеют оптимальные значения. Таким образом, для реализации преимущества цепей 4-12 Главы I перед цепями 1-3 необходимо изменять по определённому закону амплитуды и фазы суммируемых генераторов в зависимости от частоты. Сочетание синфазного и противофазного режимов возбуждения, рассмотренных в Главе I, является одним частным случаем такого изменения (сдвиг

фаз меняется скачком от нуля в синфазной полосе до и в противофазной полосе; амплитуды неизменны) оптимальный режим-другим частным случаем.

Полученные результаты применены к цепям 4-12 Главы I. Для некоторых примеров, рассмотренных в Главе I, найдены коэффициенты реализации максимально достижимой полосы согласования. Показано, что предложенные схемы 4-9, работающие в двух полосах соответственно в синфазном и противофазном режимах при достаточно большом (существенно больше характерного) значении нерабочего интервала, настолько же близки к предельной полосе насколько и прототипные схемы 1-3. Само же значение предельной полосы для цепей 4-9 в два раза и для цепей 10-12 в четыре раза больше, чем для прототип-ных цепей 1-3 (при равных коэффициентах передачи мощности в нагрузку).

Найден класс цепей (все цепи, не являющиеся пассивными), в котором могут находиться сверхширокополосные цепи, т.е. цепи, не удовлетворяющие установленному ограничению на интеграл от 1п(1/р) по частоте. Рассмотрен пример сверхширокополосной цепи. Данная цепь является активной и содержит отрицательные проводимости.

В § 2.2 получено интегральное неравенство, связывающее (для взаимной цепи) предельную полосу согласования со свойствами нагрузки. Доказано, что, если полезная нагрузка образована несколькими активными сопротивлениями К„, которые шунтированы емкостями Сп, то выполнено неравенство

где N - число сопротивлений полезной нагрузки.

В § 2.3 рассмотрена проблема нерабочего интервала. Дано определение ортогональных режимов возбуждения. Синфазный

и противофазный режимы, рассмотренные в Главе I для цепей 4-9, взаимно ортогональны. Доказано, что для цепей 4-9 выполнено

ОПТ (о)

где т]2л(®), т^сй), г)опт(®) - коэффициенты передачи в синфазном, противофазном и оптимальном режимах. Доказано, что если под к и 2к -режимами понимать любые два взаимно ортогональных режима, то данное равенство также справедливо. Доказано основное Положение 3. Найдены все направления создания цепей с перекрывающимися полосами:

Не существует иных способов перекрыть рабочие полосы, соответствующие двум взаимно ортогональным фиксированным режимам возбуждения, кроме использования активных элементов и/или нескольких сопротивлений полезной нагрузки.

В частности, применение циркуляторов в СВЧ диапазоне само по себе принципиально не позволяет решить задачу перекрывания полос. Рассмотрена цепь, которая суммирует мощности двух генераторов и работает в перекрывающихся полосах, соответствующих ортогональным режимам. Эта цепь содержит два сопротивления полезной нагрузки.

В третьей Главе рассмотрена полевая задача о возбуждении полости, нагруженной на несколько одномодовых волноводов.

В § 3.1 введены основные определения и обозначения. В § 3.2 сформулирован и доказан принцип устойчивости возбуждённого поля - основное Положение 2.

В § 3.3 доказано, что активная мощность Рает взаимодействия гармонического тока с комплексной амплитудой объёмной плотности ]'(г) (не обязательно чисто вещественной) с полем полости с одномодовой нагрузкой равна

1- Го

2

1

Jj(r)f(r)dV

Р

2

акт 2

V

1-Го

где Г0 - коэффициент отражения по напряжению нагрузки волновода,

f(r) - вещественная векторная функция, определённая для каждой полости и для каждой частоты возбуждения и независящая от коэффициента отражения нагрузки.

В § 3.4 рассмотрен вопрос о влиянии рассогласования нагрузочного тракта на эффективность работы распределённого устройства сложения мощностей N генераторов. Доказано основное Положение 4. На заданной частоте найден коэффициент отражения с учётом рассогласования нагрузки с наихудшей фазой. Найдена оценка сверху для наихудшего (т.е. наибольшего) в диапазоне частот коэффициента отражения с учётом рассогласования нагрузки с наихудшей фазой. Показано, что уменьшение эффективности работы устройства сложения при рассогласовании нагрузки не больше, чем соответствующая величина для устройства передачи мощности от одного генератора.

В § 3.5 результаты Главы Ш, полученные для распределённых систем, применены к сосредоточенным цепям. Показано, что для эффективного сложения мощностей в сфазированном режиме необходимо, чтобы вещественные части импедансов цепи на зажимах активных контуров стремились к заданному числу, в частности, необходимо чтобы для любых двух активных контуров они стремились друг к другу. Изучены общие точки функций импеданса ReZi(co) и ReZ2(ra) для цепей 4-9. Доказано, что для цепей 4, 5, 6 эти функции имеют две общие точки (т.е. совпадают на двух частотах), для цепей 7, 8 - четыре и для цепи 9 - шесть общих точек. По этой причине цепь 9 обеспечивает

более высокую эффективность суммирования мощностей генераторов в полосе частот, чем цепи 6, 8. Для цепей с одним единственным сопротивлением Я на основе принципа устойчивости введено понятие "взаимное мешающее действие соседних видов колебаний" и обоснована его непреодолимость.

В § 3.6 рассмотрено приложение принципа устойчивости, не связанное непосредственно с целями работы, а именно, задача возбуждения полости с сосредоточенной нагрузкой сведена к задаче возбуждения ненагруженной полости без потерь.

В четвёртой Главе приведены результаты экспериментальных исследований двухпоточного усилительного клистрона.

В § 4.1 описана конструкция усилительного клистрона коротковолновой части сантиметрового диапазона, включающего два электронных потока, удалённых друг от друга на расстояние около полуволны. Прибор можно рассматривать как два обычных клистрона, расположенных рядом и соосно, так, что каждый активный резонатор одного клистрона электромагнитно связан с соответствующим резонатором другого. Таким образом, электродинамическая система клистрона построена на основе систем двух связанных активных резонаторов. Усилитель включает один входной и один выходной волноводы, единую магнитную фокусирующую систему и работает в двух полосах, разделённых нерабочим интервалом. Эти полосы соответствуют синфазному и противофазному видам колебаний системы двух связанных резонаторов.

В § 4.2 с использованием результатов Главы Ш развит резонансный метод измерения отношения вещественных частей СВЧ импедансов активных зазоров многорезонаторной системы, нагруженной на волновод.

В § 4.3 рассмотрен вопрос о величине потерь мощности в цепях 4-12 при учёте собственной добротности контуров. Предложен наглядный критерий оценки по порядку величины сред-

них по рабочему диапазону частот относительных потерь мощности за счёт собственной добротности контуров. Обосновано, в частности, что, несмотря на разное число контуров, цепи 3 и 9 имеют одинаковые средние потери. Данный вывод подтверждён расчётами.

В § 4.4 приведены результаты динамических испытаний одного из изготовленных образцов усилителя. Усилитель работает в двух приблизительно одинаковых по величине полосах, разделённых нерабочим интервалом. Нерабочий интервал равен половине величины одной полосы. Испытания показали работоспособность двухпоточного усилителя. И суммарная полоса частот и выходная мощность испытанного усилителя в два раза больше, чем у прототипного усилителя с одним электронным потоком.

Таким образом, в работе развито новое направление проектирования усилительных клистронов- многопоточных многополосных широкополосных клистронов с небольшими нерабочими интервалами.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

1. Исследованы многопоточные многополосные широкополосные клистроны с небольшими нерабочими интервалами между полосами. И выходная мощность и максимальная полоса рабочих частот увеличиваются пропорционально суммарному току прибора. Такие конструкции целесообразны в сантиметровом диапазоне.

2. Целесообразно использование нескольких взаимно ортогональных режимов работы, которые отличаются распределением фаз переменных составляющих электронных потоков, причём для каждого режима сдвиги фаз жёстко заданы и не зависят от рабочей частоты. Если же усилитель работает в одном режиме с жёстко заданными (произвольным образом) фазами, то

максимально достижимая полоса не зависит от числа потоков (при условии идентичности потоков) и равна максимально достижимой полосе однопоточного усилителя.

3. При условии одномодовости нагрузочного тракта, рабочие полосы, соответствующие любым двум взаимно ортогональным режимам, разделены принципиально неустранимым нерабочим интервалом. Наименьший нерабочий интервал шес-тирезонаторной (два резонатора- активные, четыре- пассивные) выходной системы равен «0.3 величины отдельной рабочей полосы. При использовании многомодовой нагрузки можно достичь полного устранения нерабочих интервалов.

4. Установлен принцип устойчивости поля, возбуждённого в нагруженной полости гармоническим током. Показано, что мешающее взаимодействие различных видов колебаний много-резонаторных активных систем может рассматриваться как следствие этого принципа. Разработан резонансный метод измерения отношения вещественных частей СВЧ импедансов активных зазоров нагруженных многорезонаторных систем. Задача о возбуждении нагруженной полости сведена к задаче о возбуждении ненагруженной полости.

5. Доказано, что чувствительность многопоточных усилителей к рассогласованию нагрузки не больше, чем чувствительность однопоточных усилителей (при одном и том же коэффициенте передачи мощности в нагрузку). Поэтому многопоточные усилители не нуждаются в лучшем согласовании нагрузочного тракта по сравнению с однопоточными.

6. Изготовлены и испытаны образцы двухпоточного усилительного клистрона коротковолновой части сантиметрового диапазона. И выходная мощность и суммарная полоса частот испытанных образцов в два раза больше, чем соответствующие величины для прототипного однопоточного клистрона.

7. Предложено несколько схем выходной электродинамической системы четырёхпоточного четырёхполосного усилительного клистрона с учетверёнными значениями суммарной рабочей полосы и выходной мощности.

Таким образом, в диссертации разработаны теоретические основы проектирования нового класса СВЧ усилителей и получены практические результаты в этой области.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Геращенко О.В. Электродинамика полости, нагруженной на волновод, работающий на одном типе волны,- Радиотехника и электроника, 1992г., вып. 6.

2. Патент России N 1419405. Геращенко О.В., Пасманник В.И. "Выходная электродинамическая система усилительного клистрона", зарегистрирован 08.06.1993г.

3. Геращенко О.В. Предельное интегральное соотношение для полосы согласования нескольких источников с произвольной пассивной цепью,- Радиотехника и электроника, 1996,вып.З