Аксенчік А. В., Кураєв А. А. Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки вул. П. Бровки, 6, Мінськ 220027, Білорусь тел.: 017-2398956, e-mail: kurayev@bsuir.unibel.by

Анотація Представлена ​​модель ЛБВ на хвилеподібно вигнутому прямокутному хвилеводі з використанням еквівалентних чотириполюсників. В СМ-діапазоні довжин хвиль розрахунковий електронний ККД нерегулярних релятивістських ЛБВ досягає 65%, смуга посилення до 30%.

I. Вступ

На рис. 1 показана схема приладу [3], в якому здійснюється дискретне взаємодія прямолінійного електронного потоку з полем ТІ хвилі

Рис. 1. Схема 1WT-WB Fig. 1. Scheme ofTWT-WB

хвилеподібно зігнутого прямокутного хвилеводу. Назвемо такий хвилевід WB (wavy bending) хвилевід. Електронний потік (або декілька електронних променів) проходить через отвори посередині широкої стінки хвилеводу (в максимумі поперечного електричного поля). При оптимальних довжинах труб дрейфу і фазах поля в зазорах модуляція електронного потоку посилюється при виконанні умов синхронізму. Для забезпечення синхронізму необхідно так підібрати довжини відрізків хвилеводу і довжини труб дрейфу, щоб електрон при русі вздовж осі Y, потрапляв би в поле ^ ТІЮ хвилі однієї і тієї ж фази.

II. Основна частина

Математична модель. Описана ЛБВ на хвилеподібно вигнутому прямокутному хвилеводі (TWT-WB) (рис. 1) моделюється ланцюжком еквівалентних чотириполюсників. Один чотириполюсник моделює один просторовий напівперіод хвилеподібно зігнутого прямокутного хвилеводу З огляду на те, що чотириполюсники моделюють відрізки одного і того ж хвилеводу, вони виявляються узгодженими у всьому частотному діапазоні. В моделі враховуються прямі і зворотні хвилі, порушені поперечним електронним потоком, сили просторового заряду і розподілені втрати в хвилеводі. Використовуються релятивістські рівняння руху. Для апроксимації розподілу коефіцієнтів фаз чотириполюсників застосований апарат атомарних функцій. Завдання порушення TWT WB вирішується методом накладання [1, 2]. Для моделювання електронного потоку використовується метод великих часток. Електронний потік представлений, що складається з N кілець (або дисків), розподілених, при z = 0, рівномірно на періоді

+ 2ж. Рівняння збудження для хвилі TEmn приймає вигляд:

де В = ®, и0%2ХА; е ° (у) вагова функція просторового розподілу поля зазору, розраховується методом сіток; Е = -] З± тг1ю / лахх1 %г , Гпостоянная поширення TEmn хвилі. Рівняння порушення інтегрується одночасно з рівняннями руху. Після інтегрування рівняння

порушення поле Еу TEmn хвилі в хвилеводі запишеться в наступному вигляді:

Рівняння порушення та рівняння руху [2] утворюють самоузгоджену нелінійну систему рівнянь TWT WB.

Результати розрахунків. При виборі розмірів прямокутних хвилеводів, що прискорюють напруг, струмів променя необхідно враховувати наступні фактори. Кут прольоту в зазорах хвилеводів повинен бути малий. В якості довжини d зазору будемо вважати розмір вузької стінки хвилеводу. Вставка трубок дрейфу в хвилевід для зменшення зазорів, природно, веде до появи відображень хвилі і тому бажано обходитися без вставок. В СМдіапазоне при розмірах вузької стінки 0,5-1,0 см лише при прискорюють напругах понад 200 кВ можна отримати прийнятні результати. У зв’язку з невеликим еквівалентним опором хвилеводу і низьким опором зв’язку при малому струмі електронного променя не вдається отримати ефективної взаємодії з ЕМ хвилею. Тільки при перевищенні деякого порога по струму променя виходять прийнятні коефіцієнт посилення і ККД більше 10%. Таким чином TWT WB є принципово приладами великої потужності.

Проведено розрахунки нерегулярних релятивістських TWT WB з прискорюючою напругою 500 кВ, 1о = 100 А, довжина хвилі вхідного сигналу Л = 3 см, розміри хвилеводу а-3, 5 см, b = d = 1 см. Для числа зазорів N = 33 отриманий електронний ККД rje = 0,595, коефіцієнт посилення К, = 28,8 дБ варіант В1.

При числі зазорів N = 31, 1о = 50 А отриманий електронний ККД г]е = 0,597, коефіцієнт посилення Дор =17,4

дБ варіант В2.

Для довжини хвилі вхідного сигналу Л = 6 см, ускоряющего напруги 500 кВ, 1о = 50 А, розмірів хвилеводу а = 4,8 см, b = d = 1 см, числа зазорів N = 17 отриманий розрахунковий електронний ККД rje = 0,652, коефіцієнт посилення Дор = 14,7 дБ варіант ВЗ.

На рис.2 наведено для варіанта В2 залежності електронного ККД і коефіцієнта посилення по

Рис. 2. Залежності електронного ККД г]е і Кр від відносної

частоти W

Fig. 2. Dependence of electronic efficiency r]e and Kp upon relative

frequency W

потужності К від відносної частоти W = f / /0: Фівая 1-електронний ККД, крива 2 коефіцієнт посилення Дог . Видно, що смуга посилення нерегулярної ЛБВ становить 20-30%.

III. Висновок

Наведені в доповіді результати оптимізації показують, що в СМ-діапазоні довжин хвиль релятивістські ЛБВ на хвилеподібно вигнутому хвилеводі з прискорюючою напругою 500 кВ, струмом променя 50 А можуть мати розрахунковий електронний ККД 65%, коефіцієнт підсилення по потужності 15 дБ, смугу посилення до 30%.

IV. Список літератури

[1] Аксенчік А. В., Кураєв А. А., Синіцин А. К. Оптимізація параметрів нерегулярної ЛБВ на ланцюжку пов’язаних резонаторів в смузі частот / / Радіотехніка, 2001, № 4, с. 21-26.

[2] Аксенчік А. В. Моделювання ефективних нерегулярних ЛБВ на ЦСР з використанням еквівалентних чотирьох шестіполюсніков / / ЕВ і ЕС, 2002, Т.7. № 3.

[3] Лебедєв І. В. Техніка та прилади надвисоких частот. Т.Н. Електровакуумні прилади НВЧ. Під ред. Н. Д. Девяткова. Вид. 2-е перераб. і доп., М., Вища школа, 1972, с. 376.

RELATIVISTIC TWT ON THE WAVY BENT RECTANGULAR WAVEGUIDE

Aksenchyk A. V., KurayevA. A.

Byelarus State University of Informatics and Radioelectronics

P. Brovky str., 6, Minsk 220027, Republic Byelarus

Ph.:017-2398956, e-mail: kurayev@bsuir.unibel.by

Abstract. The model of a TWT on the wavy bent rectangular waveguide with use of equivalent quadripoles is presented. It is shown that the irregular relativistic TWT may have calculated electronic efficiency 65 % and 30% gain band in a S-band.

I.  Introduction

Fig. 1 shows the scheme of the device [3], where the discrete interaction of a rectilinear electronic beam with a field ТІ waves of the wavy bent rectangular waveguide is realized. Let us name it WB (wavy bending) waveguide. Electron-beam passes through apertures in the middle of the waveguide wide wall (at the peak of a cross electrical field). At optimal drift tube lengths and field phases in gaps, the electronic beam modulation increases. It is a result of an interaction of a wave and grouped electronic beam in gaps. To provide synchronism, it is

necessary to calculate waveguide piece lengths £ and drift tubes lengths so that, while moving along Y-axis, electron would get to the same phase of field Ey of wave TEl0.

II.  Main part

TWT WB mathematical model is simulated by a chain of equivalent quadripoles (Fig. 1). One quadripole simulates one space wavy bent rectangular waveguide half-wave of bending. Whereas the quadripoles simulate section of the same waveguide, they still match at each frequency. Forward and backward waves excited by a cross electron beam as well as forces of a space charge and distributed losses in a waveguide were taken into account in model. The relativistic equations of movement are used. The atomic functions are used for distribution coefficient approximation of quadripoles phases. The task of TWT WB excitation is decided by superposition method [1, 2].

The irregular relativistic TWT WB with an accelerating voltage Uo =500 kV l0=50 A for lengths of waves X =3 cm are calculated. Number of gaps N is 31; the sizes of a waveguide area=3.5 cm and b =1 cm; gaps length (waveguide without inserts) d = b and are 1 cm. The efficiency is 0.597 while gain is 28.8 dB.

Fig. 2 represents dependencies of power gain Кp and electronic efficiency fj from relative frequency W = f / / “: a curve 1 electronic efficiency, curve 2 power gain К ^. The band of gain of this variant reaches 20-30 %.

III.  Conclusion

It is shown that irregular relativistic TWT on the wavy bent waveguide with an 500 kV accelerating voltage and 50 A beam current has calculated electronic efficiency of 65 %, 15-29 dB power gain and 30 % gain band in a S-band.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.