Мощная высокоорбитная гиро-ЛБВ

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.

1. Thumm M. State-of the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers. KIT Scientific Reports 7750; 2017: 183.

2. Zapevalov V.E. Evolution of the gyrotrons. Radiophysics and Quantum Electronics. 2012;54(8-9):507-518.

3. Furuno D.S., MkDermott, Kou C.S., Luhmann N.C. Operation of a Large-Orbit High-Harmonic GyroTraveling-Wave Tube Amplifier. IEEE Transaction on Plasma Science. 1990;18(3):313-320.

4. Bandurkin I.V., Bratman V.L., Kalynov Yu.K., Osharin I., Terahertz Large-Orbit High-Harmonic Gyrotron at IAP RAS: Recent Experiment and New Designs. IEEE Transaction on Electron Devices. February 2018;(99):1-7.

5. Колосов С.В. Сравнение возможностей высокоорбитной гиро-ЛБВ и пениотронного усилителя на H41 моде. Доклады БГУИР. 2013;7(77):90-95.

6. Xu Zeng, Efeng Wang, Jinjun Feng, A Study of W-band TE02 mode gyro-TWT. Terahertz Science and Technology. December 2016;9(4):141-142.

7. Колосов С.В., Зайцева И.Е. Компьютерная программа GYRO-K для разработки и проектирования гирорезонансных приборов СВЧ. СВЧ электроника. 2017;2:46-48.

8. Свешников А.Г. К обоснованию метода расчета распространения электромагнитных колебаний в нерегулярных волноводах. Журнал вычислительной математики и математической физики. 1963;3(2):314-326.

9. Kolosov S.V. Optimization of microwave devices with irregular waveguide. LAP LAMPERT Academic Publishing RU. 2019: 192.

10. Колосов С.В., Кураев А.А., Сенько А.В. Уравнения возбуждения нерегулярных волноводов с конечной проводимостью стенок. Техника и приборы СВЧ. 2009;2:8-13.

11. Кураев А.А., Ковалев И.С., Колосов С.В. Численные методы оптимизации в задачах электроники СВЧ. Минск: Наука и техника; 1975.