Результаты первоначального расчета основных конструкционных параметров ЗС, Численное проектирование ЗС для ЛБВ в программе WinHelix - Определение оптимальных значений конструктивных параметров спиральной замедляющей системы лампы с бегущей волной

По результатам расчета были получены следующие конструкционные параметры мощной спиральной ЛБВ:

Таблица 3.2

Средний диаметр спирали

1,68 мм

Диаметр пролетного канала

1,28 мм

Длина замедляющей системы

66,139 мм

Диаметр экрана замедляющей системы

4,2 мм

Шаг спирали

0.9 мм

Ширина проволоки спирали

0,2 мм

Ток электронного пучка 0,266 А

Коэффициент замедления 6,35

Пространственный заряд 1,444

Параметр усиления 0,080

Параметр несинхронности 1,114

Сопротивление связи 56.393 Ом

Волновое сопротивление 92,913

Численное проектирование ЗС для ЛБВ в программе WinHelix

XXI век - это век развития информационных технологий, связанный с ростом скоростей и производительности электронных схем, увеличения объема памяти на носителях и. т. д. С развитием вычислительных мощностей появилась возможность заранее определить выходные параметры еще не существующего прибора. Теоретический расчет дает приближенный результат, так как учесть все процессы, происходящие в приборе попросту невозможно в силу требования высоких вычислительных мощностей, либо неточности в самой теории (расхождение). Поэтому использование расчетных программ - это еще один инструмент в руках экспериментатора - разработчика.

Методика расчета дисперсионных характеристик

Расчет зависимости коэффициента замедления и сопротивления связи от частоты для выбранной мной конструкции замедляющей системы программа WinHelix проводит в рамках модели спирально - проводящего цилиндра на основе решения дисперсионного уравнения спиральной ЗС. Вывод дисперсионного уравнения с учетом диэлектрических опор и геометрии металлических ребер, создающих продольную проводимость для спиральной ЗС дан в работе Л. Н. Лошакова и Ю. Н. Пчельникова. Однако в этих работах профиль и размеры проводника спирали не учитывались.

Поскольку в большинстве случаев для изготовления спиральных ЗС мощных ЛБВ применяется проводник с эллиптическим поперечным сечением, то учет его профиля и размеров можно провести, используя, так называемые, усредненные граничные условия. Такие условия, введенные Л. А. Вайнштейном, позволяют вместо решения сложной граничной задачи на проводниках вводить эквивалентные условия на некоторой гладкой поверхности.

В случае использования спирали, изготовленной из проводника эллиптического сечения с внутренним радиусом A, можно осуществить переход к спирали из бесконечно тонкой ленты, используя конформные отображения. В этом случае эквивалентная ширина бесконечно тонкой ленты T определяется из решения следующего уравнения

,(1)

Где H, Ф - шаг и угол намотки спирали, соответственно; 2U и 2V - толщина и ширина эллиптического проводника спирали.

Характеристики спиральных ЗС в металлическом экране с диэлектрическими стержнями, обычно рассчитывают приближенными методами на основе замены реального диэлектрика эквивалентной диэлектрической трубкой, относительная диэлектрическая проницаемость которой определяется как

,(2)

Где S - площадь поперечного сечения области между спиралью и экранирующей поверхностью, S0 - площадь поперечного сечения, занимаемая диэлектрическими опорами, - относительная проницаемость диэлектрических стержней, используемых в ЗС.

В результате эквивалентных замен осуществлен переход от конструкции ЗС с металлокерамическими опорами к эквивалентной системе, в которой пространство между спиралью и экраном заполнено однородным диэлектриком с проницаемостью Эфф. Поперечное сечение эквивалентной ЗС разбивается на три области: область внутри спирали (rA), в которой диэлектрик отсутствует =1; область между спиралью и элементами продольной проводимости (ARR) с диэлектриком, имеющем =Эфф; область между элементами продольной проводимости и экраном (Rrd) с диэлектриком, имеющем =Эфф.

Используя процедуру сшивания полей на границах областей эквивалентной системы в рамках модели спирально-проводящего цилиндра, записывается дисперсионное уравнение для рассматриваемой системы

(3)

Где I0, I1, K0, K1 - модифицированные функции Бесселя первого и второго рода нулевого и первого порядка, соответственно;

- волновое число.

Дисперсионное уравнение (3) относительно поперечной постоянной распространения (A) решается численно на ЭВМ. Найденное значение поперечной постоянной распространения позволяет рассчитать замедление рассматриваемой системы.

Величина сопротивления связи, характеризующая эффективность взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем замедляющей системы, для свободной спирали определяется следующим выражением

,(4)

Где.

Влияние металлического экрана с продольно-проводящими ребрами и диэлектрических опор учитывается введением коэффициента, связывающего сопротивление связи рассматриваемой замедляющей системы и сопротивление связи свободной спирали

.

Выражение для определения коэффициента, полученное в [2] имеет следующий вид

Описание программы

В своем проекте я воспользовался такой программой, которая была разработана Хриткиным С. А. Название этой программы - WinHelix, слово Helix в переводе с английского означает "Спираль", а приставка Win значит, что эта программа работает под операционную систему Windows. Версия WinHelix 1.0.0 означает законченную (полную) программу. В качестве замедляющей системы программа использует спираль, отсюда и название ее. Сведения о программе WinHelix 1.0.0 представлены на рис.3.3

Рис.3.3 Сведения о программе WinHelix.

Программа WinHelix оснащена удобным и вполне понятным интерфейсом, который показан на рис. IV.2.

Рис.3.4. Интерфейс программы WinHelix.

При работе с ней не возникает таких вопросов, как рассчитать, выбирать, куда нажимать и что это значит, так как все подписано и расшифровано. Режим работы программы является оконным, что характерно для многих программ, работающих под Windows (это дает гибкость в работе, т. е. вы можете параллельно загружать и работать с другими программами).

Далее приведено описание ее главного меню, кнопок, вкладок и вывод результатов, как в графическом, так и в текстовом варианте:

Главное меню содержит три кнопки: Файл, Графики, Справка. Кнопка Файл содержит: Открыть, Сохранить, Выход.

Кнопка "Графики" содержит графическое изображение пяти графиков:

    1) Коэффициент замедления (зависимость от частоты). 2) Сопротивление связи на поверхности спирали (зависимость от частоты). 3) Сопротивление связи усредненное (зависимость от частоты). 4) Волновое сопротивление (зависимость от частоты). 5) Затухание (зависимость от частоты).

Для моего проекта интерес представляют первые три графика, так как с ними связан мой численный расчет.

В кнопке "Справка" находится кнопка "О программе", которая предоставляет краткие сведения о самой WinHelix и об ее авторах.

Ниже главного меню установлены пять кнопок: "Открыть", "Сохранить", "Рассчитать", "О программе", "Выход". Это сделано для еще большего удобства и скорости работы с программой.

Ниже, слева от пяти кнопок, находятся два вкладыша: "Общие", "Геометрия". "Геометрия" включает в себя восемь пунктов входных данных, которые относятся к конструктивным параметрам замедляющей системы:

    1) Средний радиус спирали (в моем случае равен 0,168 см). 2) Шаг спирали (в моем случае равен 0,09 см). 3) Коэффициент заполнения (в моем случае равен 0,45). 4) Радиус сплошного экрана (в моем случае равен 0,42 см). 5) Радиус продольно проводящего экрана. 6) Количество диэлектрических опор (в моем случае 3 штуки). 7) Угловой размер опоры (в моем случае равен 40°). 8) Диаметр провода спирали (в моем случае равен 0,02 см).

На рис. показаны почти все геометрические элементы, которые надо вводить во вкладыш "Геометрия". Отсутствует только коэффициент заполнения (3), так как он является отношением: радиус электронного пучка делим на средний радиус спирали. Диапазон коэффициента заполнения равен 0,4...0,6. На рис. IV.3. рассмотрена замедляющая система, которая участвовала в моем эксперименте.

Рис.3.5. Основные геометрические параметры ЗС.

1-Средний радиус спирали; 2-Шаг спирали; 3-Радиус электронного пучка; 4- Радиус сплошного экрана; 5-Радиус продольно проводящего экрана; 6-Диэлектрические опоры(3 штуки); 7-Угловой размер опоры; 8-Диаметр провода спирали.

Вкладыш "Общие" включает в себя четыре раздела: "Тип замедляющей системы", "Материал спирали и экрана", "Материал диэлектрических опор", "Границы частотного диапазона". В первых трех разделах нам предлагают выбрать данные из списка, а в четвертом их надо ввести. Эти разделы можно отнести к обобщенным данным о высокочастотном блоке.

Раздел "Тип замедляющей ситемы" предлагает нам выбор из семи пунктов:

    1) Свободная спираль. 2) Спираль + Экран. 3) Спираль + Экран + Опоры. 4) Спираль + Продольно Проводящий Экран (ППЭ). 5) Спираль + ППЭ + Опоры. 6) Спираль + Экран + ППЭ. 7) Спираль + Экран + ППЭ + Опоры.

Рис.3.6 Семь типов замедляющих систем (в поперечном сечение).

Расчет программой велся относительно третьего пункта(Спираль + Экран + Опоры), чтобы сравнить результаты с линейным расчетом.

Раздел "Материал спирали и экрана" разделен на два пункта: "Спираль" и "Экран". В пункте "Спираль" надо выбрать материал спирали:

    1) Молибден. 2) Вольфрам. 3) Медь. 4) Никель. 5) Серебро. 6) Золото.

В пункте "Экран" предлагают выбор материала экрана. Выбор материала спирали и экрана совпадают с 1) по 6). Для моей спирали и моего экрана был выбран материал Молибден.

Раздел "Материал диэлектрических опор" предлагает выбор из пяти пунктов:

    1) Кварц. 2) Керамика 22XC9. 3) Бериллиевая керамика. 4) Нитрид бора. 5) Алмаз.

В моем эксперименте в качестве материала опор была выбрана Бериллиевая керамика (3).

Раздел "Границы частотного диапазона" предлагает ввести дипазон частот в ГГц. В нем содержатся три ячейки:

    1) Нижняя (в моем случае 8 ГГц). 2) Верхняя (в моем случае 18 ГГц). 3) Шаг расчета по частоте (в моем случае 0,5 ГГц).

Ниже двух вкладышей находится табличка с результатами расчета. Показана на рис..

Рис.3.7 Таблица вывода результатов.

Справа от вкладышей расположен график, который можно выбрать в главном меню программы. Далее перейдем непосредственно к расчету электродинамических параметров замедляющей системы.

Расчет электродинамических параметров ЗС.

После ввода входных параметров ВЧ блока и нажатия кнопки "Рассчитать", на выходе получим результат, представленный как в текстовом варианте, так и в графическом. Результат расчета программой представлен в таблице 3.2

Табл.3.2. Данные, полученные в результате расчета программой (WinHelix).

Частота(ГГц)

Замедление

Rсв на пов.(Ом)

Rсв пучка(Ом)

Затухание(дБ/м)

Волн. сопр.(Ом)

8

6,174

140,953

102,8767

14,8717

122,56008

9

6,28295

131,5221

87,5154

16,6633

114,77504

10

6,37757

122,0585

73,3538

18,4538

107,50304

11

6,45766

113,3387

60,7775

20,239

100,81395

12

6,52371

105,0717

49,9447

22,0201

94,7298

13

6,57679

97,5336

40,8266

23,8014

89,23542

14

6,6183

90,7545

33,2766

25,5885

84,2921

15

6,64979

84,7093

27,0928

27,3868

79,8493

16

6,67275

79,3418

22,0622

29,2008

75,85313

17

6,69738

73,8617

18,656

31,8661

71.54530

18

6,71912

68,7084

15,7086

33,4018

68,44419

По данным табл.3.2. строятся пять графиков от частоты.

Рис.3.8. Зависимость коэффициента замедления от частоты.

Рис.3.9 Зависимость сопротивления связи (на поверх. спирали) от частоты.

Рис.3.10 Зависимость сопротивления связи (усредненное по сечению эл. потока) от частоты.

Рис.3.11 Зависимость волнового сопротивления от частоты.

Рис.3.12 Зависимость затухания от частоты.

Похожие статьи




Результаты первоначального расчета основных конструкционных параметров ЗС, Численное проектирование ЗС для ЛБВ в программе WinHelix - Определение оптимальных значений конструктивных параметров спиральной замедляющей системы лампы с бегущей волной

Предыдущая | Следующая