Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

РАЗРАБОТКА МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА О-ТИПА С УЛУЧШЕННЫМИ ПОЛОСОВЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПАССИВНЫХ И АКТИВНЫХ РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУР

05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Комаров Дмитрий Александрович

Москва 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно Производственное Предприятие «Торий», г. Москва

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, зам. начальника научно-технического комплекса по научной работе ФГУП «НПП Торий» Морев Сергей Павлович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, проф., член - корреспондент РАН Трубецков Дмитрий Иванович, Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, заведующий кафедрой электроники, колебаний и волн

доктор технических наук, профессор Собенин Николай Павлович, Национальный исследовательский ядерный университет «Московский инженерно-физический институт», г. Москва, профессор кафедры электрофизических установок № 14

доктор физико-математических наук, профессор Григорьев Юрий Алексеевич, Cаратовский филиал ФГБУН «Институт радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН», ведущий научный сотрудник

Ведущая организация:

ОАО Московский радиотехнический институт РАН, г. Москва

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и на сайте www.sstu.ru ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Ученый секретарь диссертационного совета Димитрюк А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При создании и промышленном производстве мощных (с выходной мощностью более 10 кВт) импульсных и непрерывных усилителей СВЧ, прежде всего, решаются две основных фундаментальных проблемы: повышение электронного КПД усилителя, т.е. построение оптимального пространства взаимодействия интенсивного электронного потока с электромагнитными полями резонаторных замедляющих и резонансных систем (необходимость рассеяния большой мощности исключает возможность использования спиральных, или аналогичных им замедляющих систем), и увеличение мгновенной полосы усиления, т.е. обеспечение работы усилителя в заданной области частот с минимальным перепадом выходной мощности (1.5 - 2 дБ). Требование увеличения полосы рабочих частот мощных СВЧ усилителей, предназначенных для работы в качестве источников электромагнитных волн в составе радиолокационных комплексов (РЛК), имеет прикладной технический и экономический аспекты. С технической точки зрения это повышение помехозащищенности аппаратуры применения, увеличение разрешающей способности РЛК и возможность усиления частотно - модулированных сигналов. С экономической точки зрения это снижение стоимости оборудования, что является одним из определяющих факторов при промышленном производстве. электродинамический усилитель широкополосный клистрон

Современные тенденции развития СВЧ усилителей требуют продвижения в области более коротких волн - вплоть до 200 ГГц, при желательном сохранении выходных характеристик усилителей, т.е. величины выходной мощности и полосы усиления. Однако, имеющиеся экспериментальные данные показывают, что переход к коротким волнам, начиная с Х-диапазона длин волн, приводит в области классических приборов (клистронов и ЛБВ) к резкому снижению КПД, и к еще более резкому снижению рабочей области частот. Теоретическому и экспериментальному исследованию данного класса приборов посвящены многочисленные исследования зарубежных и отечественных ученых и разработчиков (Е. Нэлос, Х. Канноу, А. Бахр, Б. Ливуш, В.А. Солнцев, В.И. Канавец, В.Н. Шевчик, Д.И. Трубецков, А.А. Куравев, В.Л. Фишер, С.П. Кузнецов, Ю.Д. Мозговой, А.В. Малыхин, Н.М. Рыскин, А.Г. Рожнев, Е.Н. Корешков, Л.П. Григоренко, Г.В. Рувимский, И.А. Манькин). Выработанные к настоящему времени методы управления полосовыми характеристиками, носят эмпирический, экспериментально найденный, характер, и не могут обеспечить необходимые параметры, требуемые в РЛК. Отсутствие критического анализа имеющихся методов и выработки новых принципов не позволяют обеспечивать требуемые промышленностью комплексы параметров ЭВП СВЧ.

К настоящему моменту сформировалось несколько направлений исследований проблем улучшения полосовых характеристик:

1. С помощью активных резонансных систем, к которым относятся принципы построения клистронов с распределенным взаимодействием, ЛБВ на цепочках связанных резонаторов и ЛБВ с синхронизмом на границе полосы пропускания замедляющей системы;

2. С помощью пассивных резонансных систем, к которым относятся фильтровые системы выходных каскадов мощных клистронов и корректоры входного сигнала в мощных ЛБВ.

В первом направлении исследований наибольший интерес представляют ЛБВ с синхронизмом на границе полосы пропускания замедляющей системы. Этот класс гибридных приборов позволяет обеспечивать максимальные значения КПД и усиления при минимальных массогабаритных размерах, что определяется большой величиной сопротивления связи (теоретически - бесконечно большой) замедляющей системы на отсечке.

Опыт численного моделирования показывает, что данный тип усилителей сохраняет все свои преимущества и при переходе в коротковолновую область спектра. Однако, лампы данного класса характеризуются полосой усиления не более 5% при постоянном входном сигнале, что является практическим пределом. Принцип управления полосой усиления для приборов этого класса является эмпирическим и за более чем 30-и летнюю историю их создания не получил никакого развития. Самые последние теоретические работы в этой области, по прежнему, не дают методики улучшения полосы усиления и до сих пор не объясняют найденный эмпирический принцип.

Второе направление исследований получило наиболее широкое развитие. Тем не менее, подход к проектированию фильтровых систем, базирующийся на методах теории цепей, не обеспечивает количественного понимания в построение оптимальных фильтров. Использование полупроводниковой технологии в конструкциях корректоров ставит существенные ограничения на использование подобных устройств в тех областях применения, где требуется стойкость аппаратуры к внешним воздействующим факторам: перепадам температур, жесткому рентгеновскому излучению и т.д.

Целью диссертационной работы является разработка мощных электровакуумных приборов сверхвысокочастотного диапазона О-типа с улучшенными полосовыми характеристиками пассивных и активных резонансных структур

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

1. Разработка электродинамической модели ЛБВ с взаимодействием за границей полосы пропускания ЗС;

2. Разработка метода управления полосовыми характеристиками СВЧ усилителей О-типа в коротковолновой части см диапазона и в мм диапазоне длин волн - задача управления полосой усиления активными резонансными системами;

3. Теоретические и экспериментальные исследования разработанных мощных двухрежимных ЛБВ 3-х см диапазона;

4. Разработка эффективных методов создания фильтровых систем широкополосных клистронов.

Все основные задачи рассмотрены с общих позиций анализа систем связанных резонаторов, что позволяет говорить об общности всех рассмотренных принципов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые:

1. Представлены результаты теоретического и экспериментального исследования распространения электромагнитных колебаний в неоднородных ограниченных ЦСР. Теоретически показано и подтверждено прямым экспериментом, что в случае наличия неоднородных элементов в ЦСР возможно распространение сигнала за границей полосы прозрачности бесконечной и однородной ЗС. Исследован прямым численным моделирование эффект возникновения катастрофы типа «складка» в ЦСР, который приводит к возникновению локальных резонансов, или зон пропускания далеко за низкочастотной отсечкой.

2. Разработана модель согласования секций ЦСР на основе анализа схемы Дарлингтона и интегральной теоремы Фано, получено выражение для предельной полосы согласования вблизи низкочастотной отсечки. Исследовано численно и экспериментально влияние КСВн баночного узла ввода/вывода энергии на КСВн секции ЗС. Разработана методика определения электрофизических свойств поглощающей керамики, используемой в оконечных резонаторах секций.

3. Разработана нестационарная численная модель распространения сигналов произвольной формы в неоднородных ЦСР. На основе развитых методов разработана программа численного анализа стационарных и нестационарных процессов электромагнитных колебаний в ЦСР.

4. Впервые, на основе теории мероморфных функций обоснованы эмпирические «расстройки» низкочастотных отсечек трех секционной мощной ЛБВ с замедляющей системой типа цепочки связанных резонаторов.

5. Разработан метод исследования процессов в системе «электронный поток - ЦСР» за границей полосы пропускания замедляющей системы, основанный на экспериментальном анализе комбинационных (интермодуляционных) составляющих.

6. Дан анализ усиления за границей полосы пропускания ЗС, который позволил установить общий принцип построения пространства взаимодействия N - секционных ЛБВ с синхронизмом вблизи р-вида колебаний и получить аналитические значения «расстроек» секций, проверка которых была проведена на трех секционных ЛБВ и полностью подтвердила предложенную методику улучшения полосы усиления. Развитые методы позволили провести проектирование и разработку ЛБВ УВИ-155 с рекордным значением полосы усиления при постоянном входном сигнале. Экспериментальное исследование прибора впервые показало наличие нулей усиления, аналогично клистронным усилителям.

7. Предложен новый класс приборов, занимающих промежуточное положение между клистронами и ЛБВ - Чебышевские усилители. Это направление является новым и его основные преимущества показаны на примере проекта прибора в диапазоне 8 мм - при идентичности питающих напряжений возможна разработка лампы, не имеющей аналогов за рубежом ни по уровню электронного КПД, ни по величине усиления, ни по ширине рабочей полосы частот. Направление работ по созданию приборов данного типа позволит обеспечить приоритет государства в области создания РЛС мм диапазона и систем связи на 15-20 лет.

8. Разработан метод проектирования и экспериментальной настройки фильтровых систем мощных ЭВП СВЧ. Построена количественная теория настройки и предложена простая методика, реализующая полученные базовые принципы, внедренная в производство клистрона КИУ-216.

9. Сформулирован принцип улучшения полосы усиления мощных ЛБВ ЦСР с помощью внешних устройств, как задача создания систем корректоров входного сигнала, реализующих любой произвольный закон изменения величины мощности входного сигнала в полосе частот при обеспечении конструктивной стойкости к внешним воздействиям. Разработан математический метод решения поставленной задачи, предложена и реализована путем строгого моделирования конструкция корректора входного сигнала. Экспериментально показано, что использование подобных систем позволяет увеличить полосу рабочих частот в 1.7 - 2 раза.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием теоретически обоснованных методов исследования и подтверждением всех теоретических положений прямыми экспериментами и образцами разработанных на предложенных принципах мощных усилителей.

Практическая значимость работы заключается:

1. В создании и промышленном изготовлении образцов нового типа приборов - чебышевских усилителей, с мгновенной полосой усиления при постоянном входном сигнале 10%, с электронным КПД не менее 17 %;

2. В сокращении более чем в 2 раза процесса настройки фильтровых систем промышленно выпускаемых приборов за счет применения разработанных методов пассивного управления полосовыми характеристиками;

3. В разработке методов улучшения полосовых характеристик мощных СВЧ усилителей О-типа, которые могут быть использованы при разработке нового поколения клистронов и ЛБВ.

Практическое использование полученных результатов подтверждено актом внедрения.

Результаты диссертационной работы опубликованы в 49 печатных трудах, из них 10 - в реферируемых журналах, 3 патента на изобретение и 4 патента на полезную модель.

Основные результаты, изложенные в работе, докладывались на научных конференциях, в том числе в качестве приглашенных докладов:

· Международной конференции по вакуумной электронике IVEC-2008, 2009, 2010, 2012, 2013;

· Международной зимней школе по СВЧ электронике и радиофизике «Волжские дали» 2009, 2012 г. Саратов;

· Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП-2008, 2010, 2012 г. Саратов;

· Координационном научно-техническом семинаре по СВЧ технике, Н. Новгород 2007, 2009, 2011;

· Научной сессии НИЯУ «МИФИ» 2008, 2009 г. Москва;

· Всероссийском семинаре по электронной оптике 2011 г. Москва;

· Белорусско-российской научно-практической конференции по военно-техническому сотрудничеству 2012 г. Минск.

В диссертационную работу вошел цикл теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в период с 2003 г. по настоящее время в рамках НИОКР «Мелисса» (постановление Правительства РФ от 22.01.2003г. № 35-02), «Мощность» (постановление Правительства РФ от 22.11.2006 № 706-32) «Август-М» (постановление Правительства РФ от 07.07.1999г. № 760-45) и планов поставки изделия КИУ-216.

Личный вклад автора. Все теоретические и численные результаты, представленные в работе, получены автором. Методики экспериментов принадлежат автору. В процессе работы по разработке и изготовлению прибора принимал участие коллектив отдела разработки и проектирования приборов с распределенным взаимодействием. В экспериментальных работах по интермодуляционному анализу принимал участие коллектив лаборатории измерений на СВЧ (начальник лаборатории В.П. Васильев).

Проведенные исследования позволили теоретически обосновать и практически реализовать основные положения, полученные автором и выносимые на защиту:

1. Распространение энергии за границей полосы пропускания бесконечной однородной ЗС ЦСР возможно при наличии в конечной цепочке связанных резонаторов неоднородных ячеек, имеющих низкую добротность;

2. На границе полосы пропускания и за ней электродинамические свойства ограниченной и неоднородной ЦСР определяются полюсом полной цепи Дарлингтона: величиной нагруженной добротности граничного резонанса и наклоном дисперсионной кривой;

3. Расположение полюсов импеданса зазора неоднородной секции ЛБВ с ЗС ЦСР, являющихся собственными частотами неоднородной секции ЗС, образуют на комплексной плоскости область аналитичности, с единственной особенностью в этой области, которой является частота границы полосы пропускания;

4. Полоса усиления N-секционной ЛБВ с синхронизмом на р-виде колебаний определяется распределением полюсов импеданса зазора каждой секции усилителя в комплексной плоскости и обеспечивает максимальную величину области рабочих частот с наименьшим перепадом усиления тем лучше, чем ближе это распределение к виду распределения полюсов функции Чебышева (Патент № 72785, Россия, МПК H01J 25/34, приоритет от 12.12.07 г., зарегистрирован в Гос. реестре полезных моделей РФ 27.04.08. Бил. № 12);

5. Равенство парциальных частот резонаторов фильтровой системы достигается тогда и только тогда, когда выполнено условие равенства амплитуд передаточной характеристики на резонансных частотах совокупной системы;

6. Активный резонатор (АР) клистрона со сколь угодно сложной геометрией может быть заменен резонатором простой формы (резонатором прототипом (РП)) без искажения фильтровой характеристики многозвенной системы тогда и только тогда, когда выполнены три необходимых и достаточных условия:

· Парциальные частоты АР и РП должны быть равны;

· Геометрия щели связи между АР и первым пассивным звеном и РП и первым пассивным звеном должны быть равны;

· Волновое сопротивление АР и РП должны быть равны.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 326 страниц, включая 133 рисунка и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, изложены научная новизна и практическая значимость диссертационной работы, перечислены положения, выносимые на защиту. Кратко представлено содержание работы по разделам.

В Разделе 1 дан аналитический обзор современного состояния проблемы управления полосовыми характеристиками мощных усилителей О-типа. Рассмотрены основные методы, дан анализ экономического состояния и проблем развития мощной СВЧ электронике в свете задачи управления полосой рабочих частот. Дан анализ методов теоретического изучения проблематики, развитых в самое последнее время. Введен в рассмотрение коэффициент уровня разработок и на основе анализа приборов лучших зарубежных фирм показано, что наиболее перспективным является направление гибридных ЛБВ - ЛБВ на цепочке связанных резонаторов с синхронизмом на низкочастотной границе полосы пропускания. Отмечено, что развитие этого направление до настоящего момента шло по пути тиражирования ламп на основе теории подобия и общая структура данных приборов не изменялась, в связи с чем, предельное значение полосы усиления, составляющее 5% при постоянном входном сигнале, являлось точной верхней гранью. Рассмотрены фильтровые системы выходных каскадов клистронов и системы корректоров входного сигнала мощных ЛБВ. Сформулированы основные задачи исследования.

В Разделе 2 дан детальный теоретический, численный и экспериментальный анализ влияния неоднородностей замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов на электродинамические характеристики. Рассмотрена задача распространения электромагнитной волны в ограниченной и неоднородной цепочке связанных резонаторов. Получено решение уравнений Бете, описывающее систему типа круглого диафрагмированного волновода, и показано, что, путем введения новых переменных эта система эквивалентна уравнениям теории связанных контуров с емкостной связью. На основании замены переменных определены физические параметры контуров, показано, что собственная частота ячейки должна определяться с учетом щелей связи. Используя стандартные методы решения рекуррентных уравнений, и вводя граничные уравнения для оконечных ячеек, получен коэффициент передачи системы. Показано, что существует область за граничным резонансом, где возможно распространение волны, что противоречит теории бесконечных однородных цепочек связанных резонаторов. Поставлен эксперимент (рис.1), в котором, методом 4-х полюсника, был измерен коэффициент передачи секции из 11 резонаторов, нагруженной на волноводный вывод энергии. Экспериментальная кривая коэффициента передачи неоднородной секции показала существование области за границей низкочастотной отсечки, в которой существует эффективная передача энергии с входа на выход секции.

Основным выводом в данном теоретическом исследовании является возможность распространения энергии за границей полосы пропускания бесконечной однородной ЗС ЦСР при наличии в конечной цепочке связанных резонаторов неоднородных ячеек, имеющих низкую добротность. Наличие таких ячеек всегда имеет место в реальной системе вследствие требований к согласованию секции и входного/выходного волновода. Представленный анализ со всей очевидностью показывает, что необходимо исследование согласования ЗС и строгое определение электродинамических характеристик неоднородных резонаторов.

На основании представленных результатов, дан строгий анализ, на основе теории синтеза линейных пассивных цепей, процессов на границе полосы пропускания ограниченной и нагруженной цепочки связанных резонаторов. Задача анализа сведена, на основании теоремы Дарлингтона, к задаче о согласовании произвольного 4-х полюсника, нагруженного на активное сопротивление. Характеристическая матрица 4-х полюсника была определена путем синтеза элементов по электродинамическим характеристикам реальной замедляющей системы. Схема 4-х полюсника была принята в виде скрещенной цепи, как цепи общего вида. Величина КСВн и параметры электродинамической системы в области отсечки были связаны путем разложения частотно-зависимых сопротивлений в ряд Лорана в окрестности граничной частоты (полюса функции) и использования теоремы Фано, фактически определяющую допуск на полосу согласования:

(1)

(2)

Соотношение (2) реализует предельный переход к формуле Фано для нагрузки в виде последовательного соединения активного сопротивления и индуктивности, при условии L₂ = L₃.

Показано, что решение задачи синтеза в полосе пропускания описывает конкретную дисперсию замедляющей системы со сколь угодно малой ошибкой (исходя из свойств мероморфных функций), а на границе и за ней эти свойства определяются поведением в окрестности полюса полной цепью Дарлингтона, т.е. некоторой величиной нагруженной добротности граничного резонанса и наклоном дисперсионной кривой. От других параметров поведение КСВн и входного импеданса в окрестности границы полосы пропускания не зависит.

Однако отмечено, что вывод на основе теории цепей должен быть подтвержден строгими электродинамическими методами.

Дано детальное описание проектирования устройств широкополосного согласования ЗС ЦСР. На основании уравнений Нэппа даны электродинамические методы определения характеристик ячеек путем строгого численного моделирование в программе HFSS, при этом методика весьма экономична - моделирование не более двух резонаторов, позволяет рассчитать все основные характеристики согласующих элементов. Для данных систем не используются Чебышевские ступенчатые переходы, которые не выгодны в усилителях большой мощности в связи с возможностью возникновений мультипакторных разрядов. Для согласования используется введение в секцию дополнительных согласующих резонаторов, определение электродинамических характеристик которых (парциальная частота и коэффициент связи) и является основной задачей расчета. В среде Visual Fortran разработана программа с дружественным интерфейсом, позволяющая определить основные характеристики согласующих элементов, а по предложенной методике 3 D моделирования определяются геометрические размеры резонаторов (рис.2,3). Дан метод расчета и экспериментального определения свойств поглощающей керамики, используемой в секциях. Представлены результаты моделирования и эксперимента на секциях приборов. Дан анализ влияния баночного вывода энергии на полосу согласования и впервые сформулированы обоснованные допуска на КСВн баночного вывода энергии (рис. 4-6).

Разработана численная модель нестационарных процессов распространения сигналов в неоднородной ЦСР, базирующаяся на использовании метода конечных разностей для системы связанных контуров. Итоговая система состоит из N уравнений и реализует неявный метод Эйлера, причём матрица коэффициентов левой части имеет трёх диагональный вид с преобладанием диагональных элементов, что позволило использовать метод прогонки при численной реализации системы:

где ,,,, - собственная частота, собственная добротность, коэффициенты связи с предыдущей и последующей ячейками волновое сопротивление резонатора.

Исходя из особенности метода Эйлера, для улучшения аппроксимации производных был использован метод Рунге - Ромберга. На основе полученных результатов разработана общая программа анализа ЦСР с учетом возбуждения секции сигналом произвольной формы, как в стационарном, так и в нестационарном режимах. На тестовых примерах показано, что относительная погрешность моделирования не превосходит 1%.



Дано электродинамическое решение задачи о возбуждении резонансной структуры входным сигналом и электронным потоком и получены эквивалентные уравнения возбуждения, показывающие общность схемного и волнового подходов.

Раздел 3 посвящен решению проблемы улучшения полосы усиления в мощных ЛБВ ЦСР с синхронизмом на границе полосы пропускания. Дан экспериментальный анализ электродинамических характеристик ЛБВ ЦСР за границей полосы пропускания. Проведено измерение КСВн секции ЛБВ с учетом нагрузки интенсивным электронным поток. Дано обсуждение неточности подобного эксперимента, проводившегося ранее на подобных лампах в режиме малого сигнала. Измерения проводились при различных значениях катодного тока по методике в соответствии с ГОСТ 20271.1-91. Суммирование данных эксперимента позволяет утверждать, что наличие электронного потока в секции ЗС ЦСР приводит к снижению нагруженной добротности граничного вида колебаний (в рамках развитой теории - полюса схемы Дарлингтона), а не к смещению дисперсии системы. Размытие границы полосы непропускания, в данном случае, является очевидным объяснением эффекта усиления за полосой (рис.7). Именно этим может быть объяснен известный экспериментальный факт уменьшения эффекта усиления за полосой при уменьшении тока электронного потока, поскольку снижение тока связано с изменением нагруженной добротности - в частности к ее увеличению, что так же подтверждено экспериментально. Дана оценка сверху величины добротности граничного резонанса секции с электронным потоком.

Представлено исследование полосовых характеристик ЛБВ ЦСР. На основе строгого моделирования в программе HFSS дан анализ резонансных частот однородной и согласованной секции ЦСР. Представление на комплексной плоскости соответствующих полюсов обнаружило наличие области аналитичности для согласованной секции с радиусом аналитичности равным полосе согласования секции и одной особой точкой в области аналитичности, равной частоте граничного резонанса (рис.9).

 (3)

где f_i - собственная частота i - го резонатора, Q_i - собственная добротность i - го резонатора, ч - коэффициент связи первого резонатора с волноводом, в_i,i+1 - коэффициент связи двух соседних резонаторов, X_i - приведённая комплексная амплитуда напряжения, G - приведенная комплексная амплитуда эквивалентного источника тока

Получено решение системы (3), показано, что импеданс зазора полностью определен расположением полюсов мероморфной функции, представленной в виде отношения полиномов функции комплексной переменной и получено разложение этой функции в ряд Лорана в области аналитичности с одной особой точкой:

Показано, что запись импеданса взаимодействия при данном разложении имеет вид двух слагаемых, одно из которых резонансное, а второе - нелинейная функция частоты, является наиболее общей:

Так, если рассматривать ЛБВ с синхронизмом на пологом участке дисперсионной кривой, то в разложении останется только второе слагаемое (поскольку область разложения не будет содержать особенностей). Если же рассматривать клистрон с распределенным взаимодействием, то необходимо сохранить только первое слагаемое, поскольку область разложения мала и можно ограничиться окрестностью данного полюса (вида колебаний). В случае ЛБВ с синхронизмом на отсечке импеданс должен содержать оба слагаемых. Представлены результаты прямого численного моделирования импеданса зазора, полностью подтверждающие теоретические результаты (рис.10). Моделирование в одномерном приближении процессов взаимодействия электронного потока с ЦСР показало тождественное с импедансом зазора поведение АЧХ системы.

Подобное резонансное поведение импеданса и АЧХ позволило обосновать следующее утверждение: секция ЛБВ с синхронизмом на границе полосы пропускания эквивалентна распределенному резонатору.

Предложен и реализован прямой экспериментальный метод исследования процессов в системе «электронный поток - ЦСР» за границей полосы пропускания замедляющей системы. Метод основан на явлении искажения спектра выходного сигнала в нелинейном режиме работы усилителя. Одним из проявлений искажения сигнала является наличие интермодуляционных составляющих в выходном спектре при усилении двух и более сигналов с различными частотами. Представление о секции, как о распределенном резонаторе дало возможность представить процесс усиления в многочастотном режиме, как процесс спектрального анализа, в котором выходная секция является анализатором с передаточной характеристикой, описываемой зависимостью импеданса зазора от частоты. На основе численной модели трех каскадного нелинейного усилителя с выходным каскадом, аппроксимирующим импеданс зазора секции, показано искажение интермодуляционного спектра, полностью качественно повторяющего зависимость импеданса зазора в полосе частот (рис.11). Представлена схема эксперимента и результаты анализа, полностью подтвердившие все теоретические представления о распределенном резонаторе и виде импедансной кривой за границей полосы пропускания (рис. 12). Смещение спектра в область далекую от границы полосы дало экспериментально классический спектр комбинационных составляющих. Измерение при различных величинах катодного тока показало уменьшение области усиления за границей полосы в полном соответствии с развитыми представлениями (рис. 13).

На базе экспериментов и развитого представления о поведении импеданса зазора, и общей теоремы Фано получена систему уравнений, определяющая область усиления за границей полосы пропускания системы в зависимости от сопротивления электронного потока.

Исходя из проведенных исследований, впервые сформулировано теоретическое объяснение эмпирического критерия «расстройки» секций по частотам р-видов колебаний. Показано, что использование гипотезы распределенного резонатора автоматически приводит к рассмотрению ЛБВ в виде трех контурного резонансного усилителя, «расстройки» которого должны соответствовать полюсам полинома Чебышева. Численный анализ показал полное соответствие вычисленных таким образом «расстроек» с экспериментально полученными эмпирическими значениями (табл. 1).

Таблица 1. «Расстройки» секций 3-х секционной ЛБВ.

Относительные частоты секций 3-х секционной ЛБВ	Эмпирические значения	Расчетные значения чебышевской характеристики
	1,019	1,022
	1,102	1,098
	0,9987	1,002

Результаты предыдущих параграфов позволили с полной ясностью сформулировать принцип активного управления полосой усиления мощных ЛБВ ЦСР с взаимодействием вблизи границы полосы пропускания: полоса усиления определяется расположением полюсов импеданса зазора каждой секции усилителя в комплексной плоскости и обеспечивает максимальную величину области рабочих частот с наименьшим перепадом усиления тем лучше, чем ближе это распределение к виду распределения полюсов функции Чебышева. Использование этого общего принципа было подтверждено экспериментально на разработанной 4-х секционной ЛБВ. Представлены экспериментальные результаты исследования прибора, который позволили с первого образца получить относительную область рабочих частот при постоянном входном сигнале в 2 раза больше, чем имеющиеся до сегодняшнего времени образцы, при сохранении рекордных величин усиления и электронного КПД. Обнаружено впервые явление «нуля» усиления, так же подтверждающее все основные положения раздела.

Вся совокупность результатов показывает возможность рассматривать новый класс приборов, занимающих промежуточное положение между клистронами и ЛБВ - Чебышевские усилители. Это направление является новым и его основные преимущества показаны на примере проекта прибора в диапазоне 8 мм, представленном в разделе - при идентичности питающих напряжений возможна разработка лампы, не имеющей аналогов за рубежом ни по уровню электронного КПД, ни по величине усиления, ни по ширине рабочей полосы частот. Направление работ по созданию приборов данного типа позволит обеспечить приоритет государства в области создания РЛС мм диапазона и систем связи на 15-20 лет.

В Разделе 4 представлено детальное описание конструкции и технологии изготовления прибора. Дан расчет пространства взаимодействия и предложено простое численно-аналитическое решение задачи о самовозбуждении прибора. Представлены результаты проектирования электронно-оптической системы и канала транспортировки интенсивного электронного потока, а так же коллекторного узла. Дано описание технологии сборки и пайки узлов прибора и прибора в целом. Дан численный расчет процессов тепловых деформаций катодного узла и подогревателем косвенного накала и узлов прибора в процессе пайки. Представлены результаты экспериментальной отработки прибора, включая расчеты процессов газовыделения из катода и анализ юстировки прибора, в результате которой получены оптимальные значения токопрохождения. Приведены результаты исследования теплонагруженности элементов замедляющей системы.

Раздел 5 посвящен вопросам улучшения полосовых характеристик с помощью пассивных резонансных систем. Рассмотрены основные трудности проектирования фильтровых систем, такие как разномасштабность задачи - наличие в конструкции фильтров элементов так называемой «тонкой настройки», таких как емкостные штыри, диаметр которых много меньше длины электромагнитного колебания. Кроме того, к разномасштабности задачи относится существенное отличие в геометрии активного звена (выходного резонатора клистрона) и пассивных звеньев, и наличие большого числа степеней свободы, под которыми следует понимать независимые элементы настройки фильтровой системы. Дан принципиальный метод решения этих двух проблем на основе рассмотрения и анализа фильтровой характеристики, как некоторой плоской фигуры, полностью определенной своим центром тяжести:

Представлена теория расчета центра тяжести, позволяющая характеризовать любое отклонение от равноволновой характеристики только одним параметром, что решает задачу большого числа степеней свободы. Представлен ряд предельных случаев использования теории для одиночного резонатора и для цепочки связанных однородных резонаторов. Показано, что для ЦСР центр тяжести стремиться к значению парциальной частоты одиночного резонатора. Впервые теоретически в общем виде обоснован критерий настройки фильтровой системы: равенство парциальных частот резонаторов фильтровой системы достигается тогда и только тогда, когда выполнено условие равенства амплитуд передаточной характеристики на резонансных частотах совокупной системы.

Доказано утверждение о резонаторе прототипе, согласно которому активный резонатор (АР) клистрона со сколь угодно сложной геометрией может быть заменен резонатором простой формы (резонатором прототипом (РП)) без искажения фильтровой характеристики многозвенной системы тогда и только тогда, когда выполнены три необходимых и достаточных условия:

1. Парциальные частоты АР и РП должны быть равны.

2. Геометрия щели связи между АР и первым пассивным звеном и РП и первым пассивным звеном должны быть равны.

3. Волновое сопротивление АР и РП должны быть равны.

Данное утверждение решает задачу разномасштабности в проектировании фильтровой системы.



Представлены многочисленные примеры использования данных принципов на примере различных фильтровых систем и детально рассмотрен на ряде численных примеров (моделирование в пакете HFSS) процесс оптимальной настройки фильтра. Показано, на основе теории центра масс, что технологические уходы фильтровых характеристик в процессе пайки узлов не носят случайный характер, а имеют статистически определенную величину, которая может быть учтена на этапе проектирования. Рассмотрены многополосные фильтровые системы и результаты их проектирования и экспериментального исследования. Развитая методика внедрена в промышленно выпускаемое изделие КИУ-216 и позволила сократить процесс холодных измерений в 2 раза. Показано преимущество использования принципа резонатора прототипа, сокращающее время счета более чем в два раза и позволяющее добиться лучшей сходимости результата по парциальной частоте, устойчивое к числу итераций (рис. 15).

Дан теоретический анализ чувствительности фильтровой системы к фазовой длине выходного тракта. Показано, обычные требования к КСВн выходного тракта не удовлетворяют практическому использованию мощных усилительных клистронов с выходной фильтровой системой. Фазовая длина тракта существенно меняет вид фильтровой характеристики, что сказывается на выходных параметрах прибора. Расчеты показали, что область фаз 160 - 200⁰ приводит к малым искажениям фильтровой характеристики при заданном КСВн. Меньшие значения фазовой длины дают существенное искажение - величины максимумов уменьшаются в среднем на 0.2 дБ, величины минимумов передаточной кривой уменьшаются на 0.4 дБ от номинальной кривой.

Представлены результаты использования пассивных резонансных систем в качестве корректора (эквалайзера) входного сигнала мощных ЛБВ. Предложен новый тип корректора с произвольным законом изменения входной мощности в полосе частот, обеспечивающий требования по простоте конструкции и устойчивости к внешним воздействующим факторам. Дана численная модель синтеза эквалайзера по заданной кривой входной мощности, основанная на минимизации, предложенной в работе, функции цели:

Представлены результаты численного синтеза и реализации метода в программе HFSS, даны результаты экспериментального исследования действия корректора на примере поставочного изделия УВИ-118, позволяющие увеличить полосу рабочих частот в два раза. Отмечено, что использование данного типа корректора совместно с принципом управления полосой усиления активными резонансными системами позволяет разрабатывать ЛБВ с относительной полосой усиления 20%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В Заключение дана общая характеристика работы и сформулированы основные результаты:

1. Показано теоретически и экспериментально, что в случае наличия неоднородных элементов в ЦСР возможно распространение сигнала за границей полосы прозрачности бесконечной и однородной ЗС..

2. Разработана модель согласования секций ЦСР на основе анализа схемы Дарлингтона и интегральной теоремы Фано, получено выражение для предельной полосы согласования вблизи низкочастотной отсечки. Исследовано численно и экспериментально влияние КСВн баночного узла ввода/вывода энергии на КСВн секции ЗС. Предложена методика определения электрофизических свойств поглощающей керамики, используемой в оконечных резонаторах секций.

3. Разработана нестационарная численная модель распространения сигналов произвольной формы в неоднородных ЦСР. На основе развитых методов разработана программа численного анализа стационарных и нестационарных процессов электромагнитных колебаний в ЦСР.

4. Обоснованы эмпирические «расстройки» низкочастотных отсечек трех секционной мощной ЛБВ с замедляющей системой типа цепочки связанных резонаторов.

5. Разработан метод исследования процессов в системе «электронный поток - ЦСР» за границей полосы пропускания замедляющей системы, основанный на экспериментальном анализе комбинационных (интермодуляционных) составляющих. Разработана теоретическая модель распространения двухчастотного сигнала в трех секционной ЛБВ с синхронизмом на границе полосы пропускания.

6. Разработана ЛБВ УВИ-155 с рекордным значением полосы усиления при постоянном входном сигнале. Экспериментальное исследование прибора впервые показало наличие нулей усиления, аналогично клистронным усилителям.

7. Предложен новый класс приборов, занимающих промежуточное положение между клистронами и ЛБВ - Чебышевские усилители. Это направление является новым, и его основные преимущества показаны на примере проекта прибора в диапазоне 8 мм - при идентичности питающих напряжений возможна разработка лампы, не имеющей аналогов за рубежом ни по уровню электронного КПД, ни по величине усиления, ни по ширине рабочей полосы частот. Направление работ по созданию приборов данного типа позволит обеспечить приоритет государства в области создания РЛС мм диапазона и систем связи на 15-20 лет.

8. Разработан метод проектирования и экспериментальной настройки фильтровых систем мощных ЭВП СВЧ. Построена количественная теория настройки и предложена простая методика, реализующая полученные базовые принципы, внедренная в производство клистрона КИУ-216.

Совокупность полученных результатов позволяет утверждать, что в работе решена крупная народно-хозяйственная задача и даны технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Комаров Д.А. Эквивалентная форма уравнения возбуждения одиночных резонаторов внешними источниками. Радиотехника и электроника. 2010. - Т. 55, № 6. - С. 617

2. Гудович А.В., Комаров Д.А., Морев С.П. Проектирование устройств широкополосного согласования мощных ламп бегущей волны на цепочке связанных резонаторов Радиотехника и электроника. 2010. - Т. 55, № 6. - С. 720-725

3. Гудович А.В., Комаров Д.А., Морев С.П. Анализ электродинамических характеристик мощных ЛБВ на ЦСР за границей полосы пропускания ЗС. Радиотехника и электроника.2011. -Т. 56, №4. С. 500-505.

4. Комаров Д. А., Морев С. П. Исследование полосовых характеристик мощных ЛБВ на ЦСР с взаимодействием за границей полосы пропускания ЗС. Радиотехника и электроника 2011. - Т. 56, №10. С. 1221-1226.

5. Комаров Д. А., Морев С. П., Якушкин Е. П., Хорошайлов Ю. Г. Исследование взаимодействия электронного потока с замедляющей системой типа цепочки связанных резонаторов на границе полосы пропускания методом интермодуляционных составляющих. //Радиотехника и электроника. 2012. - Т. 57, № 6. - С. 680-685.

6. Архипов А. В., Дармаев А.Н., Комаров Д.А., Мирошников Ю.А., Морев С. П., Фетисова А.В. Применение негармонического распределения магнитного поля для фокусировки интенсивных электронных потоков в МПФС. Радиотехника и электроника. 2008. - Т. 53, № 5. - С. 606-612.

7. Комаров Д. А., Морев С. П., Парамонов Ю. Н. Управление полосовыми характеристиками мощных сверхвысокочастотных электровакуумных приборов с помощью фильтровых систем. Радиотехника и электроника 2012. том 57, № 11, с. 1206-1211.

8. Комаров Д.А., Дармаев А.Н., Макеев А.Э., Морев С.П. Многолучевая ЛБВ Ка диапазона с ЗС типа ЦСР и синхронизмом на границе полосы пропускания. Электронная техника, сер.1 «СВЧ-техника». Вып. 3(518) стр. 124-125

9. Дармаев А.Н., Комаров Д.А., Макеев А.Э., Морев С.П.,. Абаньшин Н.П,. Горфинкель Б.И, Якунин А.Н. О возможности применения автоэмиссионных катодных матриц планарного типа для электронно-оптических систем мощных СВЧ приборов. Электронная техника, сер.1 «СВЧ-техника». Вып. 4(519) стр. 167-169

10. Морев С. П., Абаньшин Н. П., Горфинкель Б. И., Дармаев А. Н.,

11. Комаров Д. А., Макеев А. Э., Якунин А. Н. Электронно-оптические системы с автоэмиссионными катодными матрицами планарного типа для мощных СВЧ приборов.// Радиотехника и электроника 2013. том 58, № 4, с. 399-408.

12. Архипов А. В., Дармаев А.Н., Комаров Д.А., Морев С.П., Фетисова А.В. Улучшение характеристик мощной двухрежимной ЛБВ с повышенной компрессией пучка и усилением за границей полосы пропускания АПЭП 2008, С. 97-100

13. Комаров Д. А., Фетисова А. В., Морев С. П., Бороденкова И. В., Гудович А. В., Задерейко В. В., Мирошников Ю. А., Струков Ю. Н. Мощные двухрежимные ЛБВ Х-диапазона, результаты разработки Научная сессия «МИФИ» 2008, С.72

14. Комаров Д.А., Морев С.П. Усилительный СВЧ- прибор. Пат. на полезную модель №73785. Зарегистрировано в Гос. реестре полезных моделей РФ 27.04.08. Опубликовано Бил. № 12. Срок действия истекает 12.12.17.

15. Комаров Д.А., Морев С.П. Усилительный СВЧ- прибор. Пат. на изобретение, Россия, МПК H 01 J 25/34, приоритет изобретения 22.05.09. Решение о выдаче 03.03.2010

16. Komarov D. A., Phetisova A. V., Morev S. P., Miroshnikov Yu. A., Gudovich A. V., Strukov Yu. N. The X-range powerful TWT. IVEC 2008, p.127-128

17. Komarov D. A., Morev S. P. Traveling wave tube on coupled cavity chain: obstacles in bandwidth extension IVEC 2009, p. 232.

18. Komarov D. A., Morev S. P. Simulation of a Ka-band “Chebyshev” traveling wave tube on coupled cavity chain. IVEC 2012.

19. Комаров Д.А., Морев С.П., Теоретические ограничения полосы усиления ЛБВ на ЦСР и методы их преодоления. Международная зимняя школа по СВЧ электронике и радиофизике «Волжские дали» 2009, с.

20. Комаров Д.А., Морев С.П. Проблемы обеспечения расширения полосы усиливаемых частот и величины КПД в мощных вакуумных приборах О-типа при продвижении в коротковолновую часть миллиметрового диапазона и пути их решения. Международная зимняя школа по СВЧ электронике и радиофизике «Волжские дали» 2012

21. Комаров Д.А., Морев С.П. Мощная импульсная ЛБВ мм-диапазона на ЦСР с электронным КПД не менее 17% и шириной полосы усиливаемых частот не менее 7% . АПЭП 2008,С. 90-93

22. Богацкая О.П., Комаров Д.А., Морев С.П. Исследование широкополосных свойств мощных ЛБВ на ЦСР с рабочим диапазоном за границей полосы пропускания. АПЭП 2010, С. 53.

23. Комаров Д. А., Морев С. П. Мощная ЛБВ на цепочке связанных резонаторов Ка - диапазона. Материалы координационного научно-технического семинара по СВЧ технике, Н. Новгород 2009, с. 22-23.

24. Комаров Д.А., Морев С.П., Рыскин Н. М., Титов В.Н., Яковлев А.В. Экспериментальное исследование и численное моделированием процессов паразитного самовозбуждения ЛБВ с ЦСР. Международная зимняя школа по СВЧ электронике и радиофизике «Волжские дали» 2009, с.

25. Макеев А.Э., Комаров Д.А., Морев С.П. Исследование влияния тормозящего ВЧ поля в зазоре резонатора на структуру сгруппированного электронного потока мощного СВЧ усилителя. Международная зимняя школа по СВЧ электронике и радиофизике «Волжские дали» 2012.

26. Комаров Д.А., Макеев А.Э., Морев С.П. Влияние фазового объема пучка на динамическое токооседание и КПД мощного СВЧ усилителя О-типа. АПЭП 2012, c.58.

27. Komarov D. A., Gudovich A. V., Morev S. P., Optimization of waveguide couplers for wave tube on coupled cavity chain. IVEC 2010, p.367.

28. Архипов А. В., Глотов Е.П., Дармаев А.Н., Комаров Д.А., Морев С.П., Фетисова А.В. Лампа бегущей волны с МПФС. Пат. на полезную модель № 69690. Зарегистрировано в Гос. реестре полезных моделей РФ 27.12.07. Опубликовано 12.12.07 Бил. № 36 Срок действия истекает 23.07.17

29. Архипов А. В., Дармаев А.Н, Комаров Д.А., Морев С.П., Лампа бегущей волны с МПФС. Пат. на полезную модель №73125.Зарегистрировано в Гос. реестре полезных моделей РФ 10.05.08. Срок действия истекает 12.12.17.Опубликовано 10.05.08 Бил. № 13

30. Архипов А. В., Глотов Е.П., Дармаев А.Н., Комаров Д.А., Морев С.П., Фетисова А.В. Лампа бегущей волны с МПФС. Патент №2352016, Россия, МПК H 01 J 25/38, 23/18, приоритет изобретения 23.07.07. зарегистрировано в Гос. реестре изобретений РФ 10.04.09 Бил. №10

31. Архипов А. В., Дармаев А.Н, Комаров Д.А., Морев С.П., Лампа бегущей волны с МПФС. Патент №2352017, Россия, МПК H 01 J 25/38, 23/18, приоритет изобретения 12.12.07. зарегистрировано в Гос. реестре изобретений РФ 10.04.09, Бил. №10

32. FSUE “R&P Corp. “Toriy” powerful vacuum RF tubes//Melnichuk G.V., Akimov P.I., Komarov D.A., Korotkov A.F., Konnov A.V., Morev S.P., Nikitin A.P., Prokofiev B.V., Saharov V.P., Sigalaev V.N., Smirnov V.A., Freidovich I.A., Yakuschkin E.P IVEC 2013

33. Комаров Д.А., Морев С.П. Проблемы обеспечения транспортировки интенсивных электронных пучков в мощных вакуумных приборах О-типа при продвижении в коротковолновую часть миллиметрового диапазона и пути их решения. Международная зимняя школа по СВЧ электронике и радиофизике «Волжские дали». 2012.

34. Дармаев А.Н., Комаров Д.А., Макеев А.Э., Морев С.П. Решение задачи о структуре магнитного поля в ячейке реверсной магнитной системы. АПЭП 2010, С. 37.

35. Комаров Д.А., Морев С.П. Мощные широкополосные вакуумные СВЧ усилители бортового базирования: прибор или цепочка? АПЭП 2012, С. 56

36. Комаров Д.А., Морев С.П. Перспективы повышения выходной мощности вакуумных СВЧ усилителей Ка диапазона. АПЭП 2012, c. 57

37. Архипов А. В., Дармаев А.Н., Комаров Д.А., Морев С.П., Фетисова А.В. Фокусировка электронного потока в МПФС при параметрах магнитного поля от 0.3 до 2.0 Материалы научно-технической конференции «Электронные приборы и устройства» 2007, с.99-106

38. Гудович А.В., Комаров Д.А., Морев С.П., А.В. Коннов, Фетисова А.В. Некоторые аспекты разработки двухрежимной ЛБВ Х -диапазона с выходной импульсной мощностью более 17 кВт. Расчет и эксперимант Материалы научно-технической конференции «Электронные приборы и устройства» 2007, с.39-41

39. Д.А. Комаров, А.Ф. Коротков, Г.В.Мельничук, С. П. Морев, А.П. Никитин, В.П. Сахаров, В.Н. Сигалаев, И.А. Фрейдович, Е.П. Якушкин Мощные вакуумные СВЧ приборы ФГУП «НПП «ТОРИЙ» и основные тенденции развития мощных вакуумных СВЧ приборов О-типа. Материалы научно-технической конференции «Электронные приборы и устройства» 2012, c. 12

40. Архипов А. В., Дармаев А.Н., Комаров Д.А., Морев С.П. Применение знакопеременных магнитных полей с высшими гармоническими составляющими для фокусировки электронных потоков в вакуумных СВЧ приборах Материалы координационного научно-технического семинара по СВЧ технике, Н. Новгород 2009, с. 8-9

41. Богацкая О.П., Дармаев А.Н., Комаров Д.А., Макеев А.Э., Морев С.П. О взаимосвязи геометрических размеров ячейки фокусирующей магнитной системы и сложной периодической структуры формируемого ей магнитного поля. Материалы координационного научно-технического семинара по СВЧ технике, Н. Новгород 2011, с. ххх-15.

42. Макеев А.Э., Комаров Д.А., Морев С.П. Моделирование режима жидкостного охлаждения резонаторного блока мощного СВЧ усилителя. Материалы координационного научно-технического семинара по СВЧ технике, Н. Новгород 2011, с. ххх-15.

43. Комаров Д.А., Морев С.П. Клистронные эффекты в мощных лампах бегущей волны на цепочке связанных резонаторов: усиление за границей полосы пропускания замедляющей системы и нули усиления. Материалы координационного научно-технического семинара по СВЧ технике, Н. Новгород 2011, с. 15.

44. Комаров Д. А., Фетисова А. В., Морев С. П. Проблемы ограничения полосы рабочих частот и КПД СВЧ усилителей и методы их преодоления. Научная сессия «МИФИ» 2009, Т.1, с.218

45. Богацкая О.П., Дармаев А.Н., Комаров Д.А., Макеев А.Э., Морев С.П. Транспортировка электронных потоков в мощных вакуумных приборах О-типа в магнитных полях со сложной периодической структурой поля. Всероссийский семинар по электронной оптике, Орион, Москва 2011, с.28

46. Дармаев А.Н., Комаров Д.А., Макеев А.Э., Морев С.П. Применение сложной пространственной структуры фокусирующего магнитного поля для уменьшения динамической расфокусировки мощных клистронах коротковолновой части см-диапазона Всероссийский семинар по электронной оптике, Орион, Москва 2011, с.36.