РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПО КПД ГИРОКЛИНОТРОНА

April 7, 2012 by admin Комментировать »

Кураев А. А., Синицын А. К. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники ул. П. Бровки, 6, Минск 220013, Беларусь Тел. (375-17) 239-84-98, e-mail: kurayev@bsuir.unibel.by, sinitsyn@bsuir.unibel.by

Аннотация – Проведена оптимизация по КПД гирокпино- трона (гиротрон с двухзеркальным коробчатым открытым резонатором и широким наклонным относительно оси резонатора спирализованным электронным потоком). Показано, что средний по слоям электронного потока КПД достигает 50% при оптимизированном угле наклона электронного потока.

I.  Введение

Одной из главных проблем при решении задачи повышения мощности гиротронов в коротковолновом диапазоне является динамическое расслоение широкого (для достижения высокой мощности) электронного потока (ЭП) в поперечно-неоднородном поле резонатора. Эта проблема может быть решена в гирокпинотроне, предложенном в 1969 г. в [1]. В этом приборе широкий спирализованный ЭП проходит наклонно (под углом a) относительно плоскостей зеркал двухзеркального открытого резонатора. Благодаря этому, при оптимизированном а каждый слой ЭП при достаточной протяженности резонатора имеет в среднем одинаковые условия взаимодействия и невзаимодействующих слоев (в узлах поля в обычном гиротроне) нет. Аналитический анализ и численные расчеты в [1] подтвердили это. Однако в

[1]    расчеты были проведены на основе упрощенной модели: 1) использовались усредненные слаборелятивистские уравнения; 2) поле между зеркалами предполагалось плоско-параллельным, дифракция не учитывалась. В 1969г. проблема повышения мощности гиротронов в коротковолновой части миллиметрового диапазона не была столь актуальной, как в настоящее время. Поэтому необходимые уточнения модели и более тщательные исследования ги- роклинотрона в те годы не проводились. Теперь же они весьма актуальны, и в настоящем докладе приведены их основные результаты.

II.  Схема прибора

Рис. 1 /Fig. 1 Схема гироклинотрона представлена на рис. 1. Здесь: 1 – широкий спирализованный ЭП; 2 – пло

ские зеркала коробчатого резонатора; 3 – боковые неотражающие экраны; a – угол наклона ЭП относительно плоскостей зеркал; ср = 7г/2-а-угол наклона ЭП относительно оси резонатора. На рис. 1 указаны также и размеры резонатора: 2а по оси с, 2b по оси у, 2/ по оси С ■ Система координат х, V,г-расчетная для ЭП, система координат ±,у,С~ расчетная для поля резонатора.

III.  Математическая модель

Основное упрощение принятой модели – неучет сил пространственного заряда пучка. Как показано в [2], эти силы имеют по своей структуре граничный характер и внутри «толстого» ЭП практически не играют роли, проявляясь только на его границах.

В соответствии с теорией, развитой в [3], поля

Ё v\ В HWq моды рассматриваемого резонатора в системе координат               могут быть записаны в

виде:

Дифракционная добротность резонатора Qd рассчитывается как: 0D = qMl 12я/Зг.

В системе x,y,z имеем:

zc соответствует центру резонатора

Ev = Ev, Вх = В* cos ср- В(. sin ср ,

Для расчетов использовались неусредненные трехмерные релятивистские уравнения движения электрона в заданном ВЧ-поле с граничными условиями, аналогичными [1].

IV.  Результаты расчетов

Оптимизационные расчеты гироклинотрона на основе сформулированной выше математической модели показали, что его средний по слоям оптимальный КПД (г|) достигает 50% при следующих параметрах:

ф

Рис. 2/ Fig. 2

Х=3 мм, Ро =0.5 (V0=79 kBJ, питч-фактор q0 =uLlua

=1.4, F=eSo/m0®=0.93 (S0– направляющее магнитное поле), амплитуда ВЧ – поля Еатах = 100 кВ/см, аг=50;

1Г = 80; Ьг =12; q=53; Мг=8; Qd = 5000;нагруженная добротность QH= 500; t]emax=0.55.

Разброс КПД по слоям достигает 9%. На рис. 2 представлена зависимость среднего по слоям КПД от угла наклона ср. По виду она близка к рассчитанной в [1] по упрощенной модели для Д> = 0.4.

V.  Заключение

Проведенные расчеты КПД гирокпинотрона по уточненной математической модели показали, что его усредненный по слоям ЭП КПД при оптимальных углах наклона не уступает максимальному КПД обычных гиротронов с тонким ЭП. Обратим внимание на то, что конструкция гирокпинотрона может быть и цилиндрической с толстым трубчатым поли- винтовым пучком: а) азимутально-симметричной (Рис.З,а) или винтовой (Рис.З.б). Здесь 1-рабочие зеркала резонатора, 2- трубчатый электронный поток. Гироклинотрон, изображенный на Рис.36, может использоваться как усилитель.

VI.  Список литературы

1    Кураев А. А. МЦР – монотрон с широким электронным потоком и наклонным относительно оси резонатора магнитным полем. Радиотехника и электроника, 1969, т. 14, №9, с. 1614-1622.

2     Кураев А. А., Слепян Г. Я. К расчету влияния сил пространственного заряда в осесимметричных гирорезо- нансных приборах с равнопеременными трубчатыми потоками конечной толщины, 1975, т.20, № 1, с. 202-206.

3     Вайнштейн П. А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М.: Советское радио, 1966, 475 с..

GYROKLINOTRON SIMULATION AND OPTIMIZATION BY EFFICIENCY

Kurayev A. A, Sinitsyn A. K.

Belarussian State University of Informatics and Radio Electronics

6               P. Brovki St., Minsk – 220013, Belarus phone: +375 (17) 2398498 e-mail: kurayev@bsuir. unibel. by, sinitsyn@bsuir. unibel.by

Abstract – Averaged efficiency is shown to reach 55% in gyroklinotrons (gyrotrons with a two-mirror box-shaped open resonator and a wide electron stream (ES) tilted about the resonator axis) for optimized ES tilting angles.

I.   Introduction

Dynamic stratification of a wide (in order to attain high power levels) ES in a transversely inhomogeneous resonator electromagnetic field is among principal problems encountered when the task of increasing gyrotron power in a shortwave band is addressed. This problem may be handled if a gyroklinotron (klin is wedge in Russian) proposed by Kurayev in [1] is applied. In this device a wide helical ES is tilted at an a angle about the plane of mirrors of a two-mirror box-shaped open resonator. Owing to this, for an optimized a and with a sufficiently long resonator each ES layer on the average has similar interaction conditions, while non-interacting layers are absent.

II.  Schematics

The gyroklinotron schematics is shown in Fig. 1, where 1 is a wide helical ES, 2 – flat mirrors of a box-shaped open resonator, 3 – lateral nonreflecting screens of the resonator.

III.   Results

In Fig. 2 efficiency versus the angle of inclination <p is shown.

IV.   Conclusions

Calculations of the gyroklinotron efficiency carried out using a refined mathematical model have shown that its efficiency averaged across the ES layers at optimal tilting angles compares well with the maximum efficiency attained when regular gyrotrons with a thin ES are used. It should be noted that the gyroklinotron design may be either cylindrical with a thick tubular polyspiral beam, or azimuthally symmetric (Fig. 3a), or helical (Fig. 3.b). Here 1 are the resonator working mirrors, 2 – a tubular electronic stream. The gyroklinotron shown in Fig. 3b may be used as an amplifier.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты