Підсилювачі НВЧ О-типу з захватом електронних згустків полем електромагнітної хвилі
| dc.contributor.author | Саурова, Тетяна Асадівна | |
| dc.contributor.degreedepartment | Кафедра фізичної та біомедичної електроніки | uk |
| dc.contributor.degreefaculty | Факультет електроніки | uk |
| dc.contributor.degreegrantor | Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" | uk |
| dc.date.accessioned | 2013-12-18T13:24:42Z | |
| dc.date.available | 2013-12-18T13:24:42Z | |
| dc.date.issued | 2013 | |
| dc.description.abstracten | The thesis for the degree of candidate of technical science in the specialty 05.27.02 - vacuum, plasma and quantum electronics. - National Technical University of Ukraine "KPI", Kiev, 2013. The thesis is dedicated to modeling of physical processes and development of new ways of high-performance amplification in non-relativistic auto-phase O-type microwave devices, amplification modes optimization that can improve weight and size, and performance characteristics of the devices. The mathematical nonlinear model of the auto-phase multi-ray TWT, and TWT with azimuthally asymmetric wave (self-phasing traveling-wave tube) at the increased focusing magnetic field at which the cyclotron frequency is greater than twice the angular frequency signal were developed. Analytical nonlinear models enable: with the use of Lyapunov theory to determine stability conditions for the trapped wave bunches of electrons corresponding to the slow and relatively rapid parameter changes of the electrodynamic system, with the space-charge field; to optimize the conversion of the electron bunches energy to the energy of electromagnetic wave in auto-phase mode with increasing of longitudinal gain coefficient of a device and maintaining high values of electron efficiency. For test modifications of the auto-phase TWT the analytical expressions for the optimal laws of profiling of the increased focusing magnetic field and the phase velocity of the wave were found. The implementation of the optimal laws in the device design will lead to decrease of the length of the electrodynamic system by 1.3 - 2 times, and, as a result, to decrease of the device size and weight. On the base of the proposed analytical models, the techniques for simplified calculation of the self-phasing traveling-wave tube basic characteristics are developed thereby reducing the time of the devices conceptual design. | uk |
| dc.description.abstractru | Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 5.27.02 – вакуумная, плазменная и квантовая электроника. – Национальный технический университет Украины «КПИ», Киев, 2013. Диссертационная работа посвящена моделированию физических процессов и теоретической разработке новых способов высокоэффективного усиления в нерелятивистских автофазных приборах О-типа СВЧ диапазона, оптимизации усилительных режимов, позволяющих улучшить массогабаритные и эксплуатационные характеристики приборов. В диссертации исследована возможность повышения эффективности – электронного КПД – многолучевой лампы бегущей волны (ЛБВ) при реализации автофазного режима. Показано, что конструктивной особенностью многолучевой автофазной ЛБВ (АЛБВ) является наличие в замедляющей системе (ЗС) одного или нескольких участков с пониженным сопротивлением связи, необходимых для осуществления эффективной предварительной группировки электронов в сгустки. Разработанная аналитическая нелинейная модель многолучевой АЛБВ позволила при помощи теории адиабатических инвариантов колебательного движения описать процесс взаимодействия электронных потоков с электромагнитным полем в многолучевой ЛБВ при автофазном режиме. Показано, что уравнение движения захваченного волной электрона представляет собой уравнение линейного осцилятора, означающего, что электроны совершают колебательные движения относительно минимума поля. Но в силу симметрии таких колебаний энергообмен между пучком и ВЧ полем в целом отсутствует. Симметрия нарушается, если фазовая скорость неоднородна вдоль длины прибора. Показано, что для осуществления преобразования энергии электронного сгустка в энергию бегущей волны (режим усиления ВЧ поля) необходимо, чтобы ее фазовая скорость уменьшалась на автофазном участке прибора. Предложена численная нелинейная модель многолучевой АЛБВ, на основе которой в проведенном численном эксперименте для ЗС с одним участком пониженного сопротивления связи достигнуто увеличение электронного КПД до 69%, что почти в 2 раза превышает КПД многолучевых ЛБВ. Показано, что при использовании группирователя с несколькими участками с пониженным сопротивлением связи, обеспечивающего 100% захват всех электронов в сгустки во всех лучах многолучевой АЛБВ, и при большом перепаде фазовой скорости волны на автофазном участке ЗС оценочный расчет электронного КПД приближается к значению, близкому к предельно возможному. На основе предложенной аналитической нелинейной модели многолучевой АЛБВ с переменной фазовой скоростью определены условия устойчивости электронных сгустков, захваченных ВЧ полем, с учетом поля объемного заряда для режимов медленного и сравнительно быстрого закона изменения амплитуды и фазовой скорости бегущей волны. Показано, что учет объемного заряда приводит к появлению в бегущей волне нижней границы амплитуды, необходимой для существования захвата пакетов осцилляторов во всех лучах многолучевой АЛБВ. Для режима повышенного фокусирующего магнитного поля (при котором циклотронная частота больше удвоенного значения круговой частоты сигнала) предложена аналитическая нелинейная модель АЛБВ с азимутально-несимметричной волной (АЛБВ-Н), позволившая при помощи теории Ляпунова исследовать и определить условия устойчивости захвата волной электронных сгустков с учетом поля объемного заряда. Полученные условия устойчивости сгустков необходимо учитывать при расчете режимов работы и конструкций АЛБВ. Необходимые значения повышенного фокусирующего магнитного поля могут быть получены при помощи импульсных соленоидов или применением явления сверхпроводимости (в частности, высокотемпературной). На основе полученных условий устойчивости разработана и запатентована (в соавторстве) полезная модель способа усиления СВЧ сигнала, позволяющего дополнительно повысить КПД в режиме повышенного фокусирующего магнитного поля при одновременном профилировании магнитной индукции и фазовой скорости усиливаемой волны. В полезной модели показано, что в точках, где нарушаются условия реализуемости дальнейшего уменьшения фазовой скорости, введение одновременного скачка магнитной индукции и фазовой скорости волны позволяет восстановить фазовую скорость до начального значения, т.е. продолжить взаимодействие пучка и поля. Предложенный способ может применяться для создания высокоэффективных усилительных электронных приборов СВЧ О-типа. При помощи классического вариационного метода проведена оптимизация автофазного механизма преобразования энергии для многолучевой АЛБВ с переменной фазовой скоростью и модификаций АЛБВ-Н с повышенным фокусирующим магнитным полем (АЛБВ-Н с неоднородным вдоль длины прибора повышенным фокусирующим магнитным полем; АЛБВ-Н с повышенным фокусирующим магнитным полем и переменной фазовой скоростью). Задача оптимизации состояла в поиске законов профилирования статических полей или параметров электродинамической системы, для которых длина автофазной секции ЗС являлась минимальной при заданном усилении прибора, т.е. позволяющих повысить погонный коэффициент усиления. Найдены аналитические выражения оптимальных законов изменения повышенного фокусирующего магнитного поля и фазовой скорости волны, реализация которых в конструкции прибора позволит в 1,3 – 2 раза сократить протяженность электродинамической системы, и как следствие, уменьшить габариты и вес прибора. Показано, что процесс оптимизации сопровождается сжатием пакета осцилляторов по мере возрастания амплитуды бегущей волны и с уменьшением фазовой ширины центр сгустков смещается в сторону максимума тормозящей фазы ВЧ поля. Оптимизация проведена с сохранением высоких значений электронного КПД. На основе предложенных аналитических моделей для исследуемых модификаций АЛБВ разработаны методики упрощенного расчета их основных характеристик в безразмерных параметрах, необходимые на этапе эскизного проектирования приборов с целью сокращения стоимости и сроков разработки. | uk |
| dc.description.abstractuk | Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.02 – вакуумна, плазмова та квантова електроніка. – Національний технічний університет України «КПІ», Київ, 2013. Дисертаційна робота присвячена моделюванню фізичних процесів і теоретичній розробці нових способів високоефективного підсилення в нерелятивістських автофазних приладах О-типу НВЧ діапазону, оптимізації підсилювальних режимів, що дозволяють поліпшити масогабаритні та експлуатаційні характеристики приладів. Розроблені математичні нелінійні моделі автофазної багатопроменевої лампи біжучої хвилі (ЛБХ) і автофазної ЛБХ (АЛБХ) з азимутально-несиметричною хвилею (надалі АЛБХ-Н) при підвищеному фокусуючому магнітному полі, при якому циклотронна частота більша за подвоєну кругову частоту сигналу. Математичні моделі багатопроменевої АЛБХ дозволили описати процес взаємодії електронних потоків з ВЧ полем сповільнюючої системи (СС) в багатопроменевій АЛБХ, оцінити ефективність приладу. Показано, що застосування автофазного режиму в багатопроменевій АЛБХ дозволяє істотно підвищити електронний ККД приладу в порівнянні з багатопроменевою ЛБХ. На основі запропонованих аналітичних нелінійних моделей за допомогою теорії Ляпунова про стійкість автономних і неавтономних систем диференціальних рівнянь визначені (для багатопроменевої АЛБХ вперше, а для АЛБХ-Н нові, відповідні підвищеному фокусуючому магнітному полю) умови стійкості захвату ВЧ полем електронних згустків з урахуванням поля об'ємного заряду для різних режимів зміни статичних полів і параметрів СС. Проведено оптимізацію механізму перетворення енергії електронних згустків в енергію електромагнітної хвилі в автофазному режимі з підвищенням погонного коефіцієнта підсилення приладу при збереженні високих значень електронного ККД: для досліджуваних модифікацій АЛБХ знайдені оптимальні законі профілювання підвищеного фокусуючого магнітного поля та фазової швидкості хвилі, реалізація яких в конструкції приладу дозволить у 1,3 - 2 рази скоротити довжину електродинамічної системи, і як наслідок, зменшити габарити і вагу приладу. На основі моделі стійкості захвату згустків розроблено і запатентовано спосіб підсилення, що дозволяє додатково підвищити ККД в модифікації ЛБХ з підвищеним фокусуючим магнітним полем при одночасному профілюванні магнітної індукції та фазової швидкості підсилюваної хвилі. На основі запропонованих аналітичних моделей для досліджуваних модифікацій АЛБХ розроблені методики спрощеного розрахунку їх основних характеристик у безрозмірних параметрах, що необхідні на етапі ескізного проектування приладів з метою скорочення термінів розробки, що досягаються за рахунок зменшення числа експериментальних макетів. | uk |
| dc.format.page | 22 л. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/6458 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.status.pub | published | uk |
| dc.subject.udc | 621.385.000 | uk |
| dc.title | Підсилювачі НВЧ О-типу з захватом електронних згустків полем електромагнітної хвилі | uk |
| dc.type | Other | uk |
| thesis.degree.level | candidate | uk |
| thesis.degree.name | кандидат технічних наук | uk |
| thesis.degree.speciality | 05.27.02 – вакуумна, плазмова та квантова електроніка | uk |