Федеральное агентство по образованию и науке РФ

Рязанский государственный радиотехнический университет

Кафедра ЭП

Курсовой проект

по дисциплине

«Микроволновые приборы и устройства.»

на тему:

Расчёт и проектирование

многорезонаторного клистрона.

Выполнил: ст. гр. 921

Кузнецов М.В.

Проверил: доц.

Шишков А.А.

Рязань 2012

Содержание.

Техническое задание……………………………………………..3

Введение…………………………………………………………..4

1. Предварительный расчет параметров клистрона……………9

2. Компьютерный расчёт основных элементов………………..10

2.1 Проектирование электронной пушки……………………10

2.2 Проектирование тороидального резонатора…………….20

2.3 Проектирование линейного группирователя……………24

2.4 Тепловой расчет коллектора с жидкостным охлаждением………………………………………………………….27

2.5 Проектирование многорезонаторного клистрона……….31

3.Описание конструкции и технологии изготовления многорезонаторного клистрона……………………………………...34

Заключение………………………………………………………..36

Литература…………………………………………………………37

Приложение

Техническое задание.

Спроектировать усилительный многорезонаторный клистрон, который должен обеспечить требуемую выходную мощность в заданной полосе пропускания.

Исходные данные:

1. длина волны:  ₀=8.2 см ;

2. полоса пропускания: f/f₀ = 0,76% ;

3. выходная мощность: P_вых= 16 кВт ;

4. коэффициент усиления: K_p=42 дБ ;

Введение

Клистрон – электровакуумный прибор СВЧ с динамическим управлением электронным потоком. Основными физическими процессами в клистронах являются: скоростная модуляция (сообщение отдельным электронам различных скоростей в зазорах резонатора); группирование (образование сгустков электронов); возбуждение переменным по плотности электронным потоком СВЧ напряжения на зазорах резонаторов.

Клистроны бывают двух основных типов – пролётные и отражательные. Их отличие заключается в способе группировки электронов, вылетевших из резонатора. В пролётном клистроне электроны группируются в расположенной после резонатора трубе дрейфа, в которой отсутствует электрическое поле. Пролётные клистроны подразделяют на двухрезонаторные и многорезонаторные. Клистроны применяются во многих областях науки и техники и наибольшее распространение получили клистроны, имеющие более двух активных резонаторов.

Разработанные к настоящему времени методы автоматизированного проектирования клистронов на основе дискретных моделей электронного потока позволяют довольно строго учесть реальные условия группирования электронов и их взаимодействие с полями. В данном курсовом проекте используется менее строгая методика, но позволяющая учесть основные нелинейные эффекты группирования электронов, и даёт возможность провести трудоемкие расчёты на ЭВМ.

В основе расчёта процессов группирования электронов в клистроне лежит уравнение движения:

(1) ,

к оторое для потока конечного диаметра может быть записано в виде уравнений колебаний

(2)

В уравнениях (1), (2) z, z₀ , z­_~ – соответственно продольная координата, начальное положение и смещение электрона относительно начального положения, t -время, w_р - плазменная частота бесконечно широкого потока, F -коэффициент редукции. Проектирование пролётных клистронов слагается из проектирования электронно-оптической системы, резонаторов и процессов в электронном потоке, Проектирование процессов в электронном потоке пролётного клистрона начинается с установления исходных данных.

Задаваясь реально достижимыми значениями полного КПД, определим ориентировочное значение мощности питания клистрона. Таким образом, оказывается известным произведение Uo * Io. Отношение тех же величин можно связать с широкополостностью клистрона. В данной работе важное место занимает расчет процесса каскадного группирования электронов и расчет резонаторов. В процессе работы лежат методики синтеза, анализа и оптимизации, которые позволяют достичь наиболее быстрого и оптимального решения при проектировании процесса каскадного группирования электронов и расчет резонаторов.

В настоящее время изготовляются главным образом пролетные многорезонаторные клистроны, которые сложнее двухрезонаторных по устройству, но обладают некоторыми преимуществами. У многорезонаторных клистронов первый резонатор служит входным, а последний выходным. Промежуточные резонаторы соединены только с положительным полюсом источника питания (рис. 1). Под действием пульсирующего электронного потока в них возникают колебания и создается переменное электрическое поле, которое дополнительно модулирует электронный поток и способствует группированию электронов. Поэтому в выходной резонатор попадают более плотные сгустки электронов. В результате КПД и коэффициент усиления мощности клистрона возрастают.

Рис. 1. Принцип устройства многорезонаторного пролетного клистрона ФК — фокусирующая катушка; ФЭ — фокусирующий электрод

 

Современные пролетные клистроны различаются по режиму работы (импульсный или непрерывный), выходной мощности, типу и числу резонаторов, способам фокусировки электронного потока, ввода и вывода энергии СВЧ, перестройки частоты, охлаждения и по другим особенностям.

При импульсной работе частота следования импульсов обычно бывает от десятков до тысяч герц, а длительность импульса — от долей микросекунды до миллисекунд. Пролетные клистроны разделяются на маломощные, средней мощности, мощные и сверхмощные. Мощность в импульсе у них соответственно менее 10 кВт, от 10 кВт до 1 МВт, от 1 до 100 МВт и свыше 100 МВт. Для режима непрерывной работы мощности в 1000 раз меньше. Приведенные значения мощности относятся к пролетным клистронам дециметрового диапазона волн. На сантиметровом диапазоне они снижаются. Фокусировка электронного потока может быть электростатическая, электромагнитная (фокусирующей катушкой) или с помощью постоянных магнитов. Ввод и вывод энергии СВЧ делают коаксиальным, волноводным или комбинированным (коаксиально-волноводным). Резонаторы бывают внутренние, смонтированные в самом клистроне, и внешние. Наиболее распространены пролетные клистроны на фиксированную частоту, но изготовляются также и перестраиваемые клистроны с механической настройкой резонаторов на различные частоты. Однако такая перестройка сложна и позволяет изменять частоту не более чем на 15%. Охлаждение мощных пролетных клистронов бывает естественным или принудительным (воздухом или водой).

Коэффициент полезного действия многорезонаторных пролетных клистронов достигает 50%, но у многих типов он заметно меньше. А коэффициент усиления мощности у таких клистронов составляет иногда несколько десятков тысяч. Практически трудно получить усиление более чем в 106 раз. Для мощных клистронов, особенно импульсных, требуется напряжение питания в десятки и даже сотни киловольт.

Пролетные клистроны имеют очень узкую полосу частот пропускаемых колебаний, что объясняется наличием нескольких настроенных резонаторов. Обычно полоса частот не превышает нескольких мегагерц. Путем расстройки резонаторов возможно расширение полосы частот, но с неизбежным снижением усиления. Для увеличения выходной мощности делают многолучевые клистроны, в которых через поле одних и тех же резонаторов проходят параллельно несколько электронных потоков.

Пролетный клистрон можно превратить в генератор с самовозбуждением, если установить обратную связь между выходным и входным резонаторами, соединив их коаксиальной линией. Длина линии подбирается такой, чтобы получилась нужная фаза колебаний, подводимых обратно к входному резонатору. При этом электронные сгустки проходят через выходной резонатор за полупериоды, соответствующие тормозящему полю, и поддерживают колебания. А при противоположной фазе электронный поток будет отбирать энергию от выходного резонатора и колебания быстро затухнут. Иногда в двухрезонаторных клистронах с общей стенкой у резонаторов Р1 и Р2 создают дифракционную обратную связь с пймощью отверстия в этой стенке.

Однако пролетные клистроны сравнительно редко используются в качестве генераторов с самовозбуждением. А для маломощных генераторов (гетеродинов) более удобны отражательные клистроны, имеющие только один резонатор.