ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МОЩНЫХ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ КЛИСТРОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

January 3, 2015 by admin Комментировать »

А. Н. Сандалов, В. М. Пикунов, В. Е. Родякин Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Для исследования высокоэффективных клистронов наиболее корректно анализировать физические процессы во всех частях клистрона от катода до коллектора. Реализация высокой эффективности в мощных клистронных усилителях требует проведения подробного исследования нелинейных процессов во всех частях клистрона: электронной пушке, линейном и нелинейном группирователях, выходной секции и коллекторе. Для этих целей на физическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова на кафедре радиофизики в лаборатории источников мощного микроволнового излучения и телекоммуникаций (зав. лабораторией доцент А. Н. Сандалов) были разработаны программные комплексы Клистрон-МГУ [1, 2], Арсенал-МГУ [3] и Мультиволны-МГУ [4-6].

Программный комплекс Клистрон-МГУ – 1-1,5-мерный, в нем взаимодействие электронного потока и электромагнитного поля реализовано на дисково-кольцевой модели электронного пучка, в настоящее время используется для оценочных расчетов при конструировании клистронов.

Арсенал-МГУ – 2,5-мерный программный комплекс, позволяет анализировать клиронные усилители, содержащие электронные пушки, как термоэмиссионные, так и на взрывной эмиссии, линейный и нелинейный группирователи, распределенные выходные структуры, конвекционные коллекторы и коллекторы с рекуперацией. Он основан на самосогласованном анализе движения заряженных частиц в электромагнитных полях при представлении электронного потока в виде "крупных" частиц и использовании модифицированного метода Галеркина для решения уравнений Максвелла. Арсенал-МГУ используется для моделирования физических процессов в клистронном усилителе от катода до коллектора при задании в виде входных данных только геометрии прибора.

Программный комплекс Мультиволны-МГУ разработан для исследования дисперсионных характеристик электромагнитных и электронных волн, электромагнитных полей структур, решения проблем, связанных с ВЧ-пробоем и самовозбуждением паразитных колебаний в выходных цепях типа "диафрагмированный волновод".

Все эти программные комплексы использовались для исследований высокоэффективных нерелятивистских клистронов в СССР и России. Они также использовались и используются при расчетах мощных многорезонаторных клистронных усилителей в Институте физики высоких энергий Японии (КЕК) [7], в фирме Thomson Tubes Electronique (Франция) [8] и Институте электроники Китайской академии наук (Китай) [9] и показали хорошее соответствие с экспериментальными данными.

Данные программные комплексы были также проведены на различных нерелятивистских и релятивистских клистронных усилителях других фирм и показали хорошее соответствие с экспериментом [10].

В качестве примера моделирования физических процессов в клистронных усилителях по программному комплексу Арсенал-МГУ рассмотрим его применение для расчетов импульсного клистрона фирмы Thomson Tube Electronique ТН2103, работающего в 10-сантиметровом диапазоне длин волн [8]. Данный прибор отличается тем, что в связи с массовым выпуском он прошел тщательный этап проектирования и совершенствования и по нему имеется вся необходимая для проведения сравнения теории и эксперимента информация. Данный прибор является одним из немногих в мире, на которых могут быть опробованы создаваемые клистронные программные комплексы.

Результаты расчетов электронной пушки прибора ТН2103 приведены на рис. 1 и 2. В верхней части рис. 1 представлено распределение магнитного поля в приборе (В20). Ниже приведена геометрия электронной пушки, эквипотенциальные линии и рассчитанные электронные траектории. При расчетах использовалась неоднородная сетка с 7000 узлов (рис. 2). Более густое разбиение задавалось в сложных областях электронной пушки.

Использование неоднородности разбиения сетки позволяет сократить объем необходимой памяти, с одной стороны, с другой – использовать более частое разбиение в областях ожидаемых больших градиентов полей. Вычисления проводились при ускоряющем напряжении 55 кВ, была получена величина тока пучка 13,4 А, что находится в хорошем соответствии с экспериментальным значением.

Распространение электронного потока вдоль клистронного группирователя приведено на рис. 3. В верхней части рисунка приведена зависимость магнитного поля (В2 / В0) вдоль прибора. На следующем рисунке представлены зависимости КПД и амплитуд первой и второй гармоник тока пучка от продольной координаты z!Le, где Le – электронная длина волны, и внизу – разброс электронов по импульсам.

Процесс группирования электронного пучка в клистроне изображен на рис. 4, где приведена зависимость нормализованной на 2π фазы электрона от продольной координаты z!Le. Видно, что происходит заметное увеличение разницы между различными радиальными группами электронов.

Мгновенная фотография группирования электронов вдоль клистрона в различные периоды времени (0, π/2, π, 3π/2) для R!Le и Z/Le представлена на рис. 5. Продольное (Pz! Р0), радиальное (Рг0) и азимутальное (Рс0) распределение в сгустке по периоду времени t / Т0 и распределение плотности тока пучка в поперечном сечении в зазоре выходного резонатора клистрона показаны на рис. 6. При расчетах использовалось 400 частиц на период высокочастотного поля. Вычисленное значение КПД было равно 43% при входной мощности 6 Вт, то же значение получено и в эксперименте.

Для лучшего понимания характера группирования электронов и наблюдения токооседия электронов на трубу дрейфа и резонаторы в Арсенале-МГУ предусмотрен режим анимации, который позволяет просмотреть, что происходит с электронами внутри клистронного усилителя. В качестве примера на рис. 7 приведен один фрагмент анимации для клистрона ТН2103.

Рис. 3. Распределение магнитного поля (верхний рисунок), зависимость первой и второй гармоник тока и КПД (средний рисунок) и разброс электронов по импульсам (нижний рисунок) от нормализованной

Рис. 4. Фазовая диаграмма

Рис. 5. Группировка электронов вдоль клистрона

Рис. 6. Распределение электронов в сгустке в области выходного резонатора.

продольной координаты z/Le, где Le – электронная длина волны.

Выше было представлено использование Арсенала-МГУ для исследования клистрона фирмы Thomson Tube Electroniques, работающего в 10-см диапазоне длин волн. Оно включало в себя исследование электронной пушки и изучение физических процессов в группировеле. Время расчета всего прибора на IBM PC 486D2/66 составило 1,5 часа. Расчеты значения тока, сформированного электронной пушкой, электронного пучка и значение выходной ВЧ- мощности находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными.

Рис. 8. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов для клистрона ТН2089

Возможности программного комплекса Арсенал-МГУ были также проверены на известном высокоэффективном суперклистроне ТН2089, работающем в непрерывном режиме [8]. На рис. 8 представлены экспериментальные и расчетные по этому комплексу зависимости эффективности клистрона от входной мощности. Согласие достаточно хорошее. Отличие может быть связано с тем, что программый комплекс Арсенал-МГУ вычислял электронную эффективность, а не полную эффективность прибора. Этот факт может объяснить 5%-ное отличие КПД в насыщении.

Приведенные выше примеры сравнений для прибора непрерывного действия и прибора, работающего в импульсном режиме, показали хорошие возможности программного комплекса Арсенал-МГУ. Быстрый прогресс вычислительной техники, появление высокоскоростных персональных компьютеров позволили расширить возможности программного комплекса Арсенал-МГУ и уменьшить значительно время расчета всего прибора. Оно уже составляет несколько десятков минут на IBM РС/550 MHz. Это привело к модернизации и программного комплекса Арсенал-МГУ, и в настоящее время его четвертая версия позволяет уже проводить расчеты широкополосных клистронов и сложных выходных резонаторов. Кроме того, в рамках данного комплекса разработана возможность расчета резонаторов при решении уравнений Максвелла и отпала необходимость использования вспомогательных программ.

Возможности создания широкополосных клистронов непрерывного режима работы и с высоким КПД в настоящее время осуществляются в рамках совместной работы физического факультета МГУ и Института электроники Китайской академии наук [9]. Предварительно были проведены исследования клистронных усилителей непрерывного действия, где важную роль играют процессы в коллекторных системах. В качестве примера использования программного комплекса Арсенал-МГУ приведем результаты исследований статических и динамических процессов в конвекционных коллекторах (рис. 9, 10).

Рис. 9. Статические характеристики коллектора

Рис. 10. Динамические характеристики коллектораТаким образом, разработанные на физическом факультете программные комплексы для исследования физических процессов и конструирования, мощных клистронных усилителей позволяют использовать их при разработке и создании мощных высокоэффективных клистронных усилителей различного типа.

Литература

1.        Сандалов А. Н. Нелинейная электроника многорезонаторных клистронов в приближении расслоения: Канд. дис., физ. фак-т МГУ, 1972. 192 с.

2.        Сандалов А. Н. Численное моделирование физических процессов в мощных приборах сверхвысоких частот // Генераторы и усилители на релятивистских электронных потоках / Под ред. В. М. Лопухина. М.: МГУ, 1987. С. 28-37.

3.        Сандалов А. К, Родякин В. Е. Комплексная программа анализа динамики электронного потока в клистроне //Вопросы электронной техники. Саратов. 1988. 15 с.

4.        Пыкунов В. М., Колесникова И. Ю. Линейная математическая модель релятивистских СВЧ-приборов череовского типа // Радиотехника и электроника. 1988. Т. 33, №11.

5.        Лузянин Д. Б., Пикунов В. М. Численное исследование дисперсионных характеристик СВЧ-устройства череовского типа // Вопросы электронной техники. Саратов. 1988.

6.        Лузянин Д. Б., Пикунов В. М. Дисперсионные характеристики черенковского СВЧ-прибора // Радиотехника и электроника. 1991. Т. 36, № 1.

7.        Fukuda S. Comparison Between the Performance of Some KEK-Klystrons and Simulations Results // Proc. of 1996 Pulsed RF Sources for Linear Colliders Workshop (RF’96). April 1996. Kanagawa, Japan. KEK report 1/1997. P. 123-132.

8.        Sandalov A. N., Pikunov V. M, Rodyakin V. E., Faillon G., Thaler Y. Animation of Nonlinear Electron-Wave Interaction in Klystrons // Proc. of 1996 Pulsed RF Sources for Linear Colliders Workshop (RF’96). April 1996. Kanagawa, Japan. KEK report 1/1997. P. 185-194.

9.        Yaogen D., Xianghui X, Rodyakin V. E., Sandalov A. N. Theoretical and experimental investigations of the high power MBK, based on 2.5 D Arsenal – MSU Computer Code // Proc. of the 2nd ICMMWT. September 2000. Beijing, China. P. 299-302.

Sandalov A. N., Pikunov V. M., Rodyakin V. E. High efficiency conventional and relattivistc klystrons // Proc. of 1996 Pulsed RF Sources for Linear Colliders Workshop (RF’96). April 1996. Kanagawa, Japan. KEK report 1/1997. P. 175-184.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

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