ЗАХВАТ ФАЗЫ ГИРОТРОНА РЕЗОНАНСНОЙ НАГРУЗКОЙ

January 23, 2013 by admin Комментировать »

Ищенко А. С.*, Новожилова Ю. В.*, Fernandez А.**, Martin R. *Институт прикладной физики РАН ул. Ульянова, 46, г. Нижний Новгород, 603950, Россия **С1ЕМАТ Madrid, Spain тел.: +7(8312) 160669, e-mail: river@appl.sci-nnov.ru

Аннотация – Получены уравнения возбуждения гиротрона заданной внешней волной. На основе этих уравнений построена аналитическая теория захвата фазы гиротрона заданной волной и стабилизации частоты генератора отражением от высокодобротной нагрузки. Построенная теория справедлива для любого генератора с фиксированной структурой ПОЛЯ, если время жизни электронов в пространстве взаимодействия мало по сравнению с временем переходных процессов.

I.                                       Введение

Одним из методов стабилизации частоты генератора является связь с внешней высокодобротной нагрузкой. Этот эффект используется, например, в системах, где источником является магнетрон, а нагрузкой – ускоритель резонансного типа [1, 2]. Отраженная от нагрузки волна при правильном подборе фазы запаздывания между генератором и нагрузкой навязывает генератору свою частоту [3]. Стабилизация частоты гиротрона была бы полезна для ряда приложений, в частности, для диагностики плазмы и газовой спектроскопии.

Стабилизировать частоту гиротрона можно волной, отраженной от внешнего квазиоптического высокодобротного резонатора, одно из зеркал которого имеет слабую гофрировку (рис.1). Если рабочая мода имеет ненулевой азимутальный индекс, дополнительная азимутальная гофрировка выходного волновода может потребоваться, чтобы связать отраженную волну с рабочей модой.

Рис. 1. Стабилизация гиротрона частичным отражением от внешнего резонатора.

Fig. 1. Gyrotron stabilized by partial reflection from external resonator

II.        Возбуждение гиротрона заданной внешней волной

Рис. 2. Возбуждение гиротрона внешней волной. Fig. 2. The gyrotron excitation by the external wave

Для описания поля в гиротроне (рис.2) будем использовать уравнение неоднородной струны

λ:(ζ) – поперечное волновое

число, и (ζ) -источник. На пушечном конце положим поле равным нулю

Если в достаточно широком сечении выходного волновода, где,     задана    амплитуда посту

пающей извне волны Ь (см. рис.2), то в этом сечении поле удовлетворяет граничному условию:

(сечение обозначено ζ = О).

Поле представим в виде ряда

л

взаимно ортогональных функций, являющихся решениями (1), (2) при u(z) Ξ О, Ь = 0 и

Амплитуда любой моды, как следует из (1), (4), равна

Источник u{z) в (6) можно представить в виде

суммы двух слагаемых, первое из которых представляет собой вьюокочастотный ток, возбуждаемый полем в стационарном электронном потоке, а второе слагаемое – источник, моделирующий граничное условие (3):

Из уравнений (1), (3), (7) получаем выражение для амплитуды низшей одногорбой моды

в гиротроне, в который поступает внешняя волна:

где–            восприимчивость

электронного потока, являющаяся комплексной нелинейной функцией амплитуды поля и частоты. При определении функции χ структура поля в резонаторе предполагается фиксированной.

III.         Стабилизация частоты гиротрона

Используя уравнение (9), можно описать переходные процессы в гиротроне, связанном с резонансной нагрузкой (рис.1), если время переходных процессов предполагается существенно превышающим время пролета электронов через пространство

взаимодействия 7"q:

где ύ)^ и собственная частота и добротность резонатора генератора.

Если также предположить, что решена электродинамическая задача о распространении волны между генератором и нагрузкой, то связанные колебания генератора и нагрузки описываются уравнениями для укороченных амплитуд 2 полей генератора и нагрузки:

т = co^t – безразмерное время, несущей является собственная частота нагрузки

–   расстройка между этой частотой и СО^, т^ 2     ■

коэффициенты связи (рассматриваем наиболее практически интересный случай малой связи), Т – подлежащее оптимизации время запаздывания между генератором и нагрузкой.

Уравнения (10) допускают стационарное решение

если частоты

удовлетворяют соотношению

где т =                ,   γ =   Q1IQ2  «1 – отношение доброт

ностей, ζϊ = {ω — ω^)! Щ – расстройка между частотой связанных колебаний и собственной частотой резонансной нагрузки. Разделяя реальную и мнимую части (11), приходим к соотношению между отстройками частоты связанных колебаний Ω и частоты свободных колебаний генератора Ωβ

(<»0- частота свободных колебаний) (см. Рис.З):

(12)

Однако стационарное решение является устойчивым лишь при условии cos(2T) <0. При этом если добротность нагрузки достаточно велика, так что:

, и расстройка частоты свободных колебаний генератора и нагрузки не слишком велика:

, то частота связанных колебаний остается внутри узкой частотной полосы резонансной нагрузки:(Рис.З).

IV.                                  Заключение

Таким образом, слабое, но правильно сфазиро- ванное отражение от резонансной высокодобротной нагрузки стабилизирует частоту колебаний генератора. Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований проект № 06-02-16272.

Рис. 3. Зависимость частоты связанных колебаний от частоты свободных колебаний.

Fig. 3. Coupled oscillation frequency vs the free-running autooscillator frequency

V.                              Список литературы

[1]    Η. R. Jory. Network for pulling a Microwave Generator to the Frequency of Its Resonant Load. US Patent 3714592,

Jan.30, 1973.

[2]    Γ. Γ. Козорезов. Магнетроны с ферритовой развязкой для электронных усилителей. Сб. «Вакуумная СВЧ электроника», Нижний Новгород, 2002. С.67.

[3]    Половков И. П. Стабилизация частоты генераторов СВЧ внешним объемным резонатором. М., Сов. Радио, 1967.

GYROTRON PHASE LOCKED BY RESONANT LOAD: THEORY

A. S. Ishenko, Yu. V. Novozhilova*,

A. Fernandez**, R. Martin Institute of Applied Physics RAS Nizhny Novgorod, Russia **CIEMAT Madrid, Spain

Ph.: (8312) 160669, e-mail: river@appl.sci-nnov.ru

Abstract – Dynamic theory method has been applied in order to describe the autooscillator frequency stabilization by small reflection from high-Q resonant load.

I.                 Gyrotron Excitation by External Wave

Let us assume that the amplitude of external wave and the radiation losses are small. In order to study the gyrotron irradiated with an incident wave perturbation method is used. Longitudinal structure of RF field is described with inhomogeneous equation of inhomogeneous string. Using an auxiliary system of mutually orthogonal functions, gyrotron coupling with incident wave is described.

II.                Gyroton Coupling and Resonant Load

Oscillations

Based on the results above, we can study another problem – gyrotron coupling with resonant load.

In order to stabilize gyrotron frequency it is sufficiently to have small, but non-zero reflection, which has to satisfy the following conditions:

–          reflecting resonant load has eigen-frequency close to that of auto oscillator free oscillation,

–          Q-factor ofthe load is sufficiently high,

–          the wave returning to auto oscillator is properly phased. Then the reflected wave keeps self-consistent frequency within narrow load frequency band.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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