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...
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2007
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10896 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | 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 = 0,10,6 [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 3,61,6 мм
2
, на выступе которого
2,51,2 мм
2
нарезана гребенчатая ЗС (шаг ЗС -
0,4 мм, высота ламели - 1,06 мм). С выходным
волноводом (канал 2) прямоугольного сечения
3,60,4 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 0,43,6 0,73,6 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 КСВН3 [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 |