Колосов Станислав Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор кафедры вычислительных методов и программирования
220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6
Kolosov Stanislav V., PhD, Professor at the Department of Computational Methods and Programming
220013, Minsk, P. Brovka str., 6
Старший преподаватель кафедры вычислительных методов и программирования
Минск
Shatilova Olga O., Senior Lecturer at the Department of Computational Methods and Programming
Minsk
В работе приведены результаты поиска оптимальной конструкции высокоорбитной гиро-ЛБВ, которая бы позволила уменьшить значение магнитостатического поля при работе на высоких частотах, близких к миллиметровому диапазону длин волн, повысить коэффициент и полосу усиления и увеличить КПД гиро-ЛБВ. Для поиска оптимальной конфигурации высокоорбитной гиро-ЛБВ была использована программа Gyro-K, где уравнения возбуждения электронным потоком нерегулярного волновода строятся на основе метода преобразования координат А.Г. Свешникова, который основан на замене задачи возбуждения нерегулярного волновода задачей возбуждения регулярного волновода с единичным радиусом. Этот метод позволяет искать решение волновых уравнений в виде разложений по системе базисных функций регулярного цилиндрического волновода. Для решения уравнений Максвелла был использован метод Галеркина, который также называется методом ортогонализации. Коэффициенты разложения поля по собственным базисным функциям определяются в этом методе из условия ортогональности невязок уравнений собственным базисным функциям регулярного волновода. Граничные условия на открытых концах волновода определяются для каждой моды регулярного волновода отдельно, что устраняет некорректность задания граничных условий для полного поля, как это происходит при использовании «pic» технологии. В результате получаем систему обыкновенных дифференциальных уравнений для коэффициентов разложения, зависящих теперь только от продольной координаты. Такой подход позволяет преобразовать трехмерную задачу возбуждения нерегулярного волновода в одномерную задачу. Омические потери в стенках волновода учитываются на основе граничных условий Щукина – Леонтовича. Для самосогласованного решения задачи возбуждения нерегулярного волновода электронном потоком использовался итерационный метод последовательной нижней релаксации. Получен оптимизированный вариант высокоорбитной гиро-ЛБВ, который обладает электронным КПД 28 %, волновым КПД 23 %, коэффициентом усиления 34 Дб и полосой усиления 11 % при рабочей частоте более 30 ГГц. Это было достигнуто за счет введения дополнительного проводящего участка волновода в поглощающую часть волновода, что привело к улучшению азимутальной группировки электронов на ларморовской орбите и, как следствие, к повышению КПД лампы. Увеличение в два раза длины волновода позволило увеличить коэффициент усиления лампы. Омические потери энергии в стенках волновода достигают 5 % от мощности электронного потока. Реализация такой мощной гиро-ЛБВ (2 Мвт) в диапазоне миллиметровых длин волн позволит существенно увеличить возможности радиолокации на дальних расстояниях и повысить разрешающую способность радиолокатора.
This paper presents the results of a search for the optimal design of a high-orbit gyro-TWT, which would make it possible to reduce the magnetostatic field when operating at high frequencies close to the millimeter wavelength range, increase the gain and gain bandwidth, and increase the efficiency of the gyro-TWT. To search for the optimal configuration of the high-orbit gyro-TWT, the Gyro-K program was used, in which the equations for the excitation of an irregular waveguide by an electron beam are constructed on the basis of the coordinate transformation method of A.G. Sveshnikov, which is based on replacing the problem of exciting an irregular waveguide with the problem of exciting a regular waveguide with a unit radius. This method allows one to search for the solution of wave equations in the form of expansions in terms of the system of basis functions of a regular cylindrical waveguide. To solve Maxwell's equations, the Galerkin method was used, which is also called the orthogonalization method. The coefficients of the expansion of the field in terms of eigenbasic functions are determined in this method from the condition of the orthogonality of the residuals of the equations for the eigenbasis functions of a regular waveguide. The boundary conditions at the open ends of the waveguide are determined for each mode of the regular waveguide separately, which eliminates the incorrectness of setting the boundary conditions for the full field, as is the case when using the “picˮ technology. As a result, we obtain a system of ordinary differential equations for the expansion coefficients, which now depend only on the longitudinal coordinate. This approach makes it possible to transform the threedimensional problem of excitation of an irregular waveguide into a one-dimensional problem. Ohmic losses in the walls of the waveguide are taken into account on the basis of the Shchukin – Leontovich boundary conditions. For a self-consistent solution of the problem of excitation of an irregular waveguide by an electron beam, the iterative method of sequential lower relaxation was used. An optimized version of a high-orbit gyroTWT has been obtained, which has an electronic efficiency of 28 %, a wave efficiency of 23 %, a gain of 34 dB and a gain band of 11 % at an operating frequency of more than 30 GHz. This was achieved by introducing an additional conducting section of the waveguide into the absorbing part of the waveguide, which led to an improvement in the azimuthal grouping of electrons in the Larmor orbit and, as a consequence, to an increase in the lamp efficiency. A twofold increase in the waveguide length made it possible to increase the lamp gain. Ohmic energy losses in the walls of the waveguide reach 5 % of the power of the electron beam. The implementation of such a powerful gyro-TWT (2 MW) in the millimeter wavelength range will significantly increase the capabilities of radar at long distances and increase the resolution of the radar.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.