Электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона

Численным методом исследованы электродинамические характеристики устройства вывода энергии из клинотрона. Представлены результаты расчета параметров матрицы рассеяния для модели внутренней (вакуумной) части клинотрона, проведено сравнение с экспериментальными данными. Чисельним методом досліджено е...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2007
Hauptverfasser:	Пишко, О.Ф., Чумак, В.Г., Чурилова, С.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russisch
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2007
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10896
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона / О.Ф. Пишко, В.Г. Чумак, С.А. Чурилова // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, спец. випуск. — С. 130-133. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859909850643824640
author	Пишко, О.Ф. Чумак, В.Г. Чурилова, С.А.
author_facet	Пишко, О.Ф. Чумак, В.Г. Чурилова, С.А.
citation_txt	Электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона / О.Ф. Пишко, В.Г. Чумак, С.А. Чурилова // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, спец. випуск. — С. 130-133. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
collection	DSpace DC
description	Численным методом исследованы электродинамические характеристики устройства вывода энергии из клинотрона. Представлены результаты расчета параметров матрицы рассеяния для модели внутренней (вакуумной) части клинотрона, проведено сравнение с экспериментальными данными. Чисельним методом досліджено електродинамічні характеристики пристрою виводу енергії з клінотрону. Наведено результати розрахунків параметрів матриці розсіювання для моделі внутрішньої (вакуумної) частини клінотрону, проведено порівняння з експериментальними даними. Numerical simulation has been applied to analyze electrodynamics characteristics of a power output unit in a clinotron generator. Parameters of the scattering matrix have been calculated for a model internal (vacuum) part of the clinotron, with the results compared with experimental data.
first_indexed	2025-12-07T16:01:48Z
format	Article
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 12, спец. вып., 2007, с. 130-133 © ИРЭ НАН Украины, 2007 УДК 621.385.633.1 ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫХОДНОГО УСТРОЙСТВА КЛИНОТРОНА О. Ф. Пишко, В. Г. Чумак, С. А. Чурилова Радиоастрономический институт НАН Украины, 4, ул. Краснознаменная Харьков, 61002, Украина E-mail:rai@ira.kharkov.ua Численным методом исследованы электродинамические характеристики устройства вывода энергии из клинотрона. Представлены результаты расчета параметров матрицы рассеяния для модели внутренней (вакуумной) части клинотрона, проведе- но сравнение с экспериментальными данными. Ил. 7. Библиогр.: 7 назв. Ключевые слова: клинотрон, матрица рассеивания, S-параметры, устройство вывода энергии. Клинотрон получил известность и широ- кое применение как источник электромагнитных колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, имеющий повышенный уровень выходной мощности в сочетании с ши- рокой полосой электрической перестройки часто- ты [1]. Эти характеристики прибора остаются уникальными, а приборы востребованными до настоящего времени. Современное состояние разработок клинотронов непрерывного действия подробно представлено в обзорах [2, 3], а в воз- можности их приобретения заинтересованы, в частности, такие организации, как Институт атомной энергии, Россия; Elva-1 Millimmeter Wave Division.St.Petersburg, Russia; Techniche Un- iversitat Hamburg-Harburg, Germany; Dartmouth College, Hanover, USA. Поэтому актуальными являются и вопросы совершенствования клино- тронов: повышение выходной мощности; увели- чение полосы перестройки частоты; укорочение длины волны; улучшение эксплуатационных ха- рактеристик и т. д. К основным факторам, приводящим к ухудшению выходных характеристик клинотро- нов, относится несовершенство выходного уст- ройства прибора. Конструктивно узел вывода энергии из пространства взаимодействия клинотрона пред- ставляет собой сложный волноводный тройник: пространство взаимодействия; выходной волно- вод; анодное отверстие для вбрасывания элек- тронного пучка. При этом в клинотронах исполь- зуются широкие, по сравнению с длиной волны замедляющей системы (ЗС), электронные пучки и выходные волноводы, что приводит к возбужде- нию в узле вывода энергии высших типов коле- баний, ответвлению части мощности в анодное отверстие, отражению части мощности в про- странство взаимодействия. Экспериментально было показано, что в коротковолновой части миллиметрового и в субмиллиметровго диапазо- нах длин волн коэффициент передачи мощности из пространства взаимодействия в выходной вол- новод может составлять  = 0,10,6 [1]. Выбрать экспериментально оптимальную конфигурацию и размеры этого узла практически невозможно. В то же время современные системы электродинамического моделирования и проек- тирования позволяют моделировать и оптимизи- ровать трехмерные СВЧ устройства с очень вы- сокой степенью точности. В частности, мощный пакет программ High Frequency Structure Simula- tion (HFSS) [4], который вычисляет многомодо- вые S-параметры матрицы рассеяния и электро- магнитные поля в трехмерных пассивных СВЧ структурах произвольной формы, позволяет про- вести оптимизацию одного или нескольких пара- метров в соответствии с выбранными критериями. HFSS использует для решения уравнений электродинамики метод конечных элементов (МКЭ), включающий адаптивное генерирование и деление ячеек. Решения для электромагнитного поля, найденные из уравнений Максвелла, позво- ляют определить электродинамические характе- ристики СВЧ устройств с учетом возникновения и преобразования одних типов волн в другие, по- терь в материалах на излучение и т. д. Нами приведены результаты исследова- ний по расчету и оптимизации узла вывода энер- гии в клинотроне. 1. Описание базовой электродинамиче- ской модели. Как указывалось выше, в узле выво- да энергии существуют волны высших типов, при этом рассчитанная картина поля носит сложный характер. Если же входные линии одномодовые, то интерес представляют только амплитуды основ- ных волн, т. е. одномодовая матрица рассеяния. Поэтому для апробирования метода мы выбрали модель с одномодовыми входными линиями, ко- торая соответствует пространству взаимодействия и узлу вывода энергии клинотрона 5-мм диапазо- на. Результатами расчета на программе HFSS трехмерной модели волноводного тройника, об- щий вид которого представлен на рис. 1, являют- ся его S-параметры (S11, S21, S22, S31, S33), связы- О. Ф. Пишко / Электродинамические характеристики выходного… ________________________________________________________________________________________________________________ 131 вающие амплитуды падающих и отраженных волн основного типа. Рис. 1. Трехмерная модель волноводного тройника: общий вид Пространством взаимодействия (канал 1) является П-волновод длиной 17 мм, поперечным сечением 3,61,6 мм 2 , на выступе которого 2,51,2 мм 2 нарезана гребенчатая ЗС (шаг ЗС - 0,4 мм, высота ламели - 1,06 мм). С выходным волноводом (канал 2) прямоугольного сечения 3,60,4 мм 2 , длиной 5 мм канал 1 соединен плав- ным переходом с радиусами R1 = 2 мм и R2 = 2,4 мм. Канал для вбрасывания электронного пучка (канал 3) имеет вид конусного волновода поперечного сечения 0,43,6  0,73,6 мм 2 , дли- ной 3,2 мм. Тестирование пакета HFSS проведено сравнением результатов расчета дисперсионной характеристики ЗС в волноводе и частот отсечки П-волновода точными электродинамическими методами [5,6] с использованием программы HFSS. Относительная точность вычислений не хуже 10 -5 . 2. Расчет и анализ результатов. Расчет параметров матрицы рассеяния модели волно- водного тройника выполнялся МКЭ с использо- ванием HFSS, сетка конечных элементов в вы- числениях имела число ячеек N = 72830, цен- тральная частота решения 0f = 60 ГГц, полоса частот анализа 58 - 62 ГГц. Полученные результа- ты сравнивались с данными экспериментальных исследований. На первом этапе компьютерного модели- рования был проведен анализ модели без ЗС, рас- считанные на программе HFSS частотные харак- теристики коэффициентов прохождения (S21, S31) и отражения (S11) которой приведены на рис. 2. На рис. 3 приведены зависимости коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) от частоты в каналах. В программе HFSS КСВН определяется по формуле 1 KCBH 1 jj jj S S    , где jjS модуль коэффициента отражения в соответствующем канале. Рис. 2. Частотные характеристики параметров S11, S21, S31, показывающие деление мощности между каналами волновод- ного тройника без ЗС Рис. 3. Зависимость КСВН(f) в каналах тройника без ЗС. На вставке в увеличенном масштабе показан характер изменения КСВН(f) в канале 2, цифры указывают номер канала Если исследуемый тройник не имеет ЗС, то картина распределения мощности имеет сле- дующий вид (рис. 2): коэффициент прохождения в канал 3 (S31) несколько выше, чем в канал 2 (S21). Соответственно КСВН (рис. 3) в канале 2 больше (кривая 2), чем в канале 3 (кривая 3). Ко- эффициенты отражения и прохождения в данном частотном диапазоне не имеют резонансов. Ха- рактерно также, что в анализируемой полосе час- тот КСВН в каналах меняется незначительно. На вставке рис. 3 приведена зависимость КСВН ( )f в выходном волноводе (канал 2) в увеличенном масштабе, т. е. несмотря на то, что в узле тройни- ка имеются неоднородности в виде острых углов и изгибов, это не приводит к появлению резонан- сов в частотных характеристиках коэффициентов отражения и прохождения. Если в канале 1 размещена ЗС, то пара- метры матрицы рассеяния существенно меняют- ся. На рис. 4 приведены частотные характеристи- ки коэффициентов прохождения и отражения. В модели с ЗС в канале 1 распространяется медлен- ная волна. Вывод медленной волны из ЗС проис- ходит путем плавного изменения глубины резо- наторов непосредственно в узле тройника, здесь медленная волна преобразуется в волноводную. О. Ф. Пишко / Электродинамические характеристики выходного… ________________________________________________________________________________________________________________ 132 Такая трансформация волн приводит к появле- нию резонансов во всех каналах. На рис. 5 пред- ставлена зависимость КСВН от частоты. В канале с ЗС рассчитанный КСВН ≤ 4 (кривая 1), в ос- тальных каналах значения КСВН значительно выше и характер частотных зависимостей суще- ственно резонансный (кривые 2, 3). Между кана- лами 2 (S21) и 3 (S31) мощность делится примерно поровну и характер этих зависимостей от частоты идентичный. Рис. 4. Частотные характеристики параметров S11, S21, S31, показывающие деление мощности между каналами волновод- ного тройника с ЗС Рис. 5. Зависимость КСВН (f) в каналах тройника с ЗС, цифры на рисунке указывают номер канала Сравнение расчетных и эксперименталь- ных данных наиболее удобно и естественно про- водить сопоставлением КСВН в выходном волно- воде, величину которого можно измерять в уже собранном приборе и получать при расчете. На рис. 6 приведены экспериментально снятые зависимости КСВН ( )f в выходном вол- новоде клинотрона и пунктиром нанесена расчет- ная зависимость. Можно отметить, что имеется качественное соответствие результатов расчета и эксперимента. Частоты минимумов и максимумов КСВН практически совпадают, а различие в 0,2 - 0,5% в определении резонансных частот можно объяснить погрешностью измерения частоты в эксперименте. Различие в абсолютных значениях КСВН следовало ожидать, так как оно наблюда- ется и в эксперименте для различных экземпля- ров приборов из-за неточностей их изготовления и сборки. Рис. 6. Зависимость КСВН(f) в выходном волноводе (канал 2): 1 – расчет; 2- эксперимент Клинотроны - резонансные приборы, так как ЗС не имеют нагрузки на коллекторном кон- це, это позволяет получить повышенный уровень выходной мощности, КПД и стабильности часто- ты. Однако в случае больших отражений может наблюдаться срыв генерации, который нельзя устранить улучшением условий взаимодействия пучка с электромагнитным полем ЗС (увеличени- ем плотности тока, напряженности магнитного поля и т. д.). Экспериментально было показано, что для получения непрерывной полосы генера- ции необходимо обеспечить в выходном волно- воде КСВН3 [7]. Исходя из этого, следует про- водить оптимизацию узла вывода энергии. По- этому уменьшение коэффициента отражения в канале 2 (S22) может служить одним из основных критериев оптимизации узла вывода энергии при изменении размеров и конфигурации его каналов. Оптимизируемыми параметрами могут являться, в частности, размеры П-волновода, размеры анодного отверстия, величина радиуса согласова- ния ЗС. При расчете сложных структур, имеющих мелкоструктурные детали, необходимо особое внимание обращать на то, каким образом проис- ходит разбиение пространства на сетку и как ус- танавливается процесс адаптации. Узел вывода энергии клинотрона является такой структурой, так как состоит из волноводов различного сече- ния и содержит в одном плече тройника ЗС. Это надо учитывать при проведении дальнейших ис- следований. Использование компьютерного модели- рования интересно еще и тем, что можно визу- ально наблюдать перераспределение мощности в узле вывода энергии при изменении геометрии устройства и частоты. Для примера на рис. 7 представлена картина электрического поля на О. Ф. Пишко / Электродинамические характеристики выходного… ________________________________________________________________________________________________________________ 133 частоте f = 60 ГГц для двух рассмотренных мо- делей волноводного тройника. Изображение по- зволяет количественно определить напряжен- ность электрического поля по интенсивности цве- та и увидеть характерные изменения в его рас- пределении. Кроме того, HFSS позволяет анали- зировать электромагнитное поле во всевозмож- ных сечениях. При анимации изменение фазы возбуждающего поля создает впечатление его прохождения через структуру, что также можно использовать при оптимизации. _____________________________________________________ а) б) Рис. 7. Визуализация картины распределения электрического поля в волноводном тройнике: а) - без ЗС; б) - с ЗС ___________________________________________ Полученные численные результаты по- зволяют сделать вывод о необходимости даль- нейших поисков более приемлемых параметров согласования рассмотренного волноводного тройника. Выводы. С применением пакета про- грамм электродинамического моделирования и проектирования трехмерных СВЧ структур HFSS получены электродинамические характеристики устройства вывода энергии клинотрона, пред- ставляющего собой сложный волноводный трой- ник. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов позволяет сделать вывод, что указан- ным методом можно провести оптимизацию дан- ного узла прибора с целью улучшения выходных характеристик клинотрона. 1. Левин Г. Я., Бородкин А. И., Кириченко А. Я., Чурило- ва С. А. Клинотрон. / Под ред. А. Я. Усикова. - Киев: Нау- кова думка, 1992. - 197 с. 2. Кириченко А. Я., Чурилова С. А. Клинотрон // Радиофизи- ка и электроника. - 2004. - 9, спец. вып. - С.68-74. 3. Лысенко Е. Е., Пишко О. Ф., Чумак В. Г., Чурилова С. А. Состояние разработок клинотронов непрерывного дейст- вия // Успехи современной радиоэлектроники. Зарубежная радиоэлектроника. - 2004. - № 8. - С.3-12. 4. HFSS - High Frequency Structure Simulation. – 2000. 5. Эллиот Р. Теория плоских ребристых поверхностей // Во- просы радиолокационной техники. - 1955. - № 5. - С.5-10. 6. Kirilenko A., Rud L., Tkachenko V. Cad of evanescent-mode bandpass filters based on the shot ridged waveguide sections // John Wiley & Sons, Inc. Int J RF and Microwave CAE. - 2001. - № 11. - P.354-365. 7. Лысенко Е. Е., Пишко О. Ф., Чумак В. Г., Чурилова С. А. Добротность резонансной линии клинотронов миллимет- рового диапазона // Радиофизика и радиоастрономия. - 2001. - 6, № 4. - С.317-322. ELECTRODYNAMICS OF A POWER OUTPUT UNIT IN THE CLINOTRON O. F. Pishko, V. G Chumak, S. A. Churilova Numerical simulation has been applied to analyze electrodynamics characteristics of a power output unit in a clinotron generator. Parameters of the scattering matrix have been calculated for a model internal (vacuum) part of the clinotron, with the results compared with experimental data. Key words: clinotron, scattering matrix, S-parameters, power output. ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИСТРОЮ ВИВОДУ ЕНЕРГІЇ З КЛІНОТРОНУ О. Ф. Пішко, В. Г. Чумак, С. А. Чурилова Чисельним методом досліджено електродинамічні характеристики пристрою виводу енергії з клінотрону. Наве- дено результати розрахунків параметрів матриці розсіювання для моделі внутрішньої (вакуумної) частини клінотрону, про- ведено порівняння з експериментальними даними. Ключові слова: клінотрон, матриця розсіювання, S-параметри, пристрій виводу енергії. Рукопись поступила 12 декабря 2006 г.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10896
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1028-821X
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T16:01:48Z
publishDate	2007
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
record_format	dspace
spelling	Пишко, О.Ф. Чумак, В.Г. Чурилова, С.А. 2010-08-09T14:32:02Z 2010-08-09T14:32:02Z 2007 Электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона / О.Ф. Пишко, В.Г. Чумак, С.А. Чурилова // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, спец. випуск. — С. 130-133. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10896 621.385.633.1 Численным методом исследованы электродинамические характеристики устройства вывода энергии из клинотрона. Представлены результаты расчета параметров матрицы рассеяния для модели внутренней (вакуумной) части клинотрона, проведено сравнение с экспериментальными данными. Чисельним методом досліджено електродинамічні характеристики пристрою виводу енергії з клінотрону. Наведено результати розрахунків параметрів матриці розсіювання для моделі внутрішньої (вакуумної) частини клінотрону, проведено порівняння з експериментальними даними. Numerical simulation has been applied to analyze electrodynamics characteristics of a power output unit in a clinotron generator. Parameters of the scattering matrix have been calculated for a model internal (vacuum) part of the clinotron, with the results compared with experimental data. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона Електродинамічні характеристики пристрою виводу енергії з клінотрону Electrodynamics of a power output unit in the clinotron Article published earlier
spellingShingle	Электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона Пишко, О.Ф. Чумак, В.Г. Чурилова, С.А.
title	Электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона
title_alt	Електродинамічні характеристики пристрою виводу енергії з клінотрону Electrodynamics of a power output unit in the clinotron
title_full	Электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона
title_fullStr	Электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона
title_full_unstemmed	Электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона
title_short	Электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона
title_sort	электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10896
work_keys_str_mv	AT piškoof élektrodinamičeskieharakteristikivyhodnogoustroistvaklinotrona AT čumakvg élektrodinamičeskieharakteristikivyhodnogoustroistvaklinotrona AT čurilovasa élektrodinamičeskieharakteristikivyhodnogoustroistvaklinotrona AT piškoof elektrodinamíčníharakteristikipristroûvivoduenergíízklínotronu AT čumakvg elektrodinamíčníharakteristikipristroûvivoduenergíízklínotronu AT čurilovasa elektrodinamíčníharakteristikipristroûvivoduenergíízklínotronu AT piškoof electrodynamicsofapoweroutputunitintheclinotron AT čumakvg electrodynamicsofapoweroutputunitintheclinotron AT čurilovasa electrodynamicsofapoweroutputunitintheclinotron

Электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона

Institution

Ähnliche Einträge