Усилитель мм ДИАПАЗОНА

April 11, 2012 by admin Комментировать »

Евдокимов В. В., Мясин Е. А. Институт радиотехники и электроники РАН, Фрязинский филиал Пл. Введенского, 1, г. Фрязино, Московской обл.- 141190, Россия Тел.: (095)5269154; e-mail: еат168@ms.ire.rssi.ru

Аннотация Проведен расчёт параметров теоретической модели двухкаскадного оротронного усилителя 8мм диапазона волн, каждый каскад которого имеет полусферический открытый резонатор (ОР), периодическую структуру (ПС) на его плоском зеркале и пространство дрейфа между ними. Процессы электронно-волнового взаимодействия в обоих каскадах описываются нелинейными уравнениями, которые решались численно. Сравнение расчетных значений электронного КПД с экспериментальными значениями показало возможность применения предложенной модели для расчета параметров оротронных усилителей, в том числе, в коротковолновой части миллиметрового диапазона.

I.  Введение

В [1] была представлена строгая релятивистская нелинейная теория работы двухкаскадного оротронного усилителя, в которой предполагалось, что первый каскад работает в линейном режиме. Однако, в процессе предварительного экспериментального исследования такого усилителя [2] было установлено, что линейное приближение для описания работы первого каскада усилителя применимо для ограниченной области параметров реального прибора и в более общем случае необходимо использовать нелинейную модель электронно-волнового взаимодействия, адекватно описывающую режим больших амплитуд входного сигнала. С этой целью нами была построена теоретическая модель двухкаскадного усилителя, процессы электронно-волнового взаимодействия в обоих каскадах которой описываются нелинейными уравнениями, выведенными впервые в [3].

II.  Основная часть

Уравнения теоретической модели двухкаскадного усилителя решались численно методом крупных частиц, число которых для расчетов было взято равным 50. Нелинейные уравнения интегрировались методом Рунге-Кутта 4 порядка. Программа, составленная для работы в среде MATLAB, позволяла варьировать длины секций и пространства дрейфа, параметр пространственного заряда, учитывать неоднородность распределения ВЧ электрического поля по длине и ширине электронного пучка а также произвольно изменять отношение рабочего тока к пусковому в обоих каскадах усилителя. Программа позволяла определить электронный КПД на выходе каждого каскада усилителя и построить фазовые траектории крупных частиц на протяжении всей области взаимодействия усилителя. Последнее обстоятельство позволяло наглядно представить процесс группировки электронов пучка по длине системы и оптимизировать исходные параметры при сопоставлении расчетных и экспериментальных данных.

На данном этапе работы экспериментальные результаты и соответствующие им расчеты были проведены для одной фиксированной частоты, определяемой имеющимся в распоряжении задающим генератором.

Результаты расчетов электронного КПД приведены на рис. 1. (кривые 1 и 2) вместе с экспериментальными значениями, пересчитанными с учетом значений КПД ОР-2 (кривая 3). Видно, что численный расчет дает совпадающую с экспериментом область значений входной мощности, в которой величина КПД максимальна, но его абсолютные значения отличаются от экспериментальных в несколько раз.

Рис.1 .Зависимость электронного КПД от входной мощности.

Fig. 1. Electron efficiency vs Р1п

Следует отметить, что теоретические расчеты проводились для случая, когда настройка обоих резонаторов оптимальна, т.е. усиливаемый сигнал на частоте f0 соответствует максимуму резонансной кривой. В эксперименте настройка системы производилась с целью оптимизации выходной мощности. При этом "холодную" настройку, соответствующую теории, приходилось изменять.

На рис. 2 проведено сравнение экспериментальных значений электронного КПД двухкаскадной системы (кривая 4) с расчетными, построенными для случаев, когда резонансная частота первого резонатора (f0i ) в горячем режиме равна (кривая 1), меньше (кривая 2) или больше (кривая 3) частоты второго резонатора. Видно, что наибольшее совпадение теории с экспериментом происходит в случае, соответствующем кривой 3.

Для этого случая на рис. 3 приведены фазовые траектории электронов на всей длине пространства взаимодействия, включая область дрейфа, отмеченную двумя вертикальными полосками. Здесь по оси ординат отложена фаза ВЧ электрического поля, с которым взаимодействуют электроны (крупные частицы) в единицах л, а по оси абсцисс длина взаимодействия в единицах Li Траектории рассчитаны для значения Рвх = 100 Вт, при котором в эксперименте наблюдалось максимальное значение КПД на выходе второго каскада усилителя. Хорошо видно, что в этом случае основная группировка частиц происходит вблизи области дрейфа при фазе, равной л.

Fig. 3. Electron phase trajectories

Phase of Electrons-1 harmonic

III.  Заключение

Проведенное сравнение результатов численного расчета КПД и коэффициента усиления с экспериментальными данными для двухкаскадной схемы усилителя оротронного типа с уровнем выходной мощности 2.5 кВт в 8 мм диапазоне длин волн показало, что теоретическая база, заложенная в работе

[1]    , и разработанные на ее основе программы расчета позволят с достаточной точностью производить оценку этих величин в приборах данного типа, в том числе, и для более коротковолнового диапазона длин волн.

Авторы благодарят Ю. В. Андреева за помощь в разработке программы расчёта.

IV.  Список литературы

. М. Б. Цейтлин, Е. А. Мясин, Т. А. Мазур. Радиотехника и электроника. 1996. Т.41. № 2. С.223.

. Е. А. Мясин, С. Г. Чигарев, В. В. Евдокимов и др. Известия АН, сер. Физическая. 2001. Т.65. № 12. С.1699.

. М. Б. Цейтлин, Г. А. Бернашевский, В. Д. Котов,

И. Т. Цицонь. Радиотехника и электроника. 1977. Т.22.

№ 7. С.1515.

PARAMETER CALCULATION OF 8 ММ TWO-STAGE OROTRON AMPLIFIER

Evdokimov V. V., Myasin E. A.

Institute of radioengineering and electronics ofRAS Fryasino branch, Vvedenskogo sq., 1, Fryasino, Moscow reg., 141190, Russia phone: (095)5269154, e-mail: earn 16 8@ms. ire. rssi. ru

Abstract Parameter calculation for theoretical model of two- stage orotron amplifier has been conducted. Nonlinear differential equations describing the electron-wave interaction in both stages have been solved. Theoretical values of electron efficiency were compared with experimental data for 2.5 kW 8 mm amplifier studied by authors earlier.

I.   Introduction

Rigorous relativistic non-linear theory of two-stage orotron amplifier was presented in [1]. It has been supposed that the first stage operates in linear regime. But experimental investigation [2] showed that such approximation is valid only in limited range of amplifier parameters and in general case the complet non-linear theoretical model is required to describe correctly the amplifier operation in large input signals regime.

II.   Main part

Such mathematical model based on non-linear orotron equations [3] was constructed and the software for solving these equations using well-known large particles method was developed by computer-aided MATLAB design. As a result of application of this program the values of electron efficiency in both amplifier stages as well as electron phase trajectories all over the interaction region cold be calculated. Fig.1 shows the results of electron efficiency calculation vs input power (curves

1  and 2) for two different interaction lengths and experimental results (curve 3) for a 2,5 kW 8 mm two-stage amplifier investigated in [2]. The influence of resonance frequencies mismatch of amplifier stages is illustrated in Fig.2 and the process of large particles (electron) bunching – in Fig. 3.

III.   Conclusion

Positive results of represented analysis show the possibility of use of the proposed method for design of orotron amplifier parameters in short millimeter and submillimeter wavelength range.

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