Радиотехника и электроника, 2021, T. 66, № 9, стр. 859-862

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших задач для современной радиотехники является создание сверхширокополосных устройств, которые могли бы стабильно функционировать в широком диапазоне частот при сохранении большой мощности СВЧ-излучения. Такими устройствами, в частности, являются плазменные релятивистские СВЧ-генераторы (ПРГ) [1–9]. Особенностями ПРГ являются больший диапазон рабочих частот (от 2 до 25 ГГц), высокая мощность сигнала (50…100 МВт), возможность работы в режиме генерации одиночного импульса или в частотно-периодическом режиме, в режиме генерации монохроматического или широкополосного излучения. Для такого типа генератора актуальной задачей является проектирование и изучение характеристик его выходного тракта, состоящего из рупорной антенны и преобразователя мод. Целью данной работы было получение характеристик выходного тракта с помощью численного моделирования для проектирования оптимального выходного тракта. Такие генераторы могут работать в различных режимах [3, 6]:

– генерации одиночного импульса,

– частотно-периодическом,

– генерации монохроматической волны,

– генерации широкополосного сигнала.

Схема ПРГ с инверсной конфигурацией представлена на рис. 1 [2]. Работа ПРГ основана на черенковском взаимодействии релятивистских электронных пучков (РЭП) с медленной плазменной волной, в результате трубчатый РЭП передает энергию медленной плазменной волне, возникающей на трубчатой плазме. При черенковском взаимодействии в ПРГ, если скорость пучка равна фазовой скорости волны и длина волны специально подобрана, то возможна передача энергии от пучка к волне, вследствие чего в плазменном коаксиальном волноводе появляются медленные плазменные волны Е₀₁, Е₀₂ и т.д. В текущих экспериментах используется мода Е₀₁. СВЧ-излучение возникает при плотности плазмы, превышающей пороговое значение. При работе генератора с трубчатой геометрией РЭП и плазменного волновода в выходном коаксиальном волноводе возбуждается мода ТЕМ. Для вывода полученного излучения в открытое пространство возникает необходимость преобразовывать получаемую в генераторе моду ТЕМ коаксиального волновода в моду Н₁₁ круглого волновода. Поэтому в качестве фидера для рупорной антенны используется выходной преобразователь мод. Конусообразная рупорная антенна с описанным выше фидером позволяет выводить СВЧ-излучение ПРГ в открытое пространство с достаточно низким коэффициентом отражения [9].

Рис. 1.

Схема ПРГ инверсной конфигурации: 1 – взрывоэмиссионный катод, 2 – РЭП, 3 – соленоид, 4 – коаксиальный волновод, 5 – рупор, 6 – источник плазмы, 7 – плазма, 8 – ограничитель плазмы.

1. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В данной работе совместно моделировались преобразователь типов волн, рассмотренный в работе [10], и рупорная антенна в виде конуса. Для начала подробно опишем объекты исследования.

Используемый в настоящее время в выходном тракте ПРГ преобразователь волны ТЕМ в волну Н₁₁ имеет довольно простое конструкционное исполнение и представляет собой плавный переход из коаксиального волновода в круглый. Переход осуществляется посредством плавного соединения внутреннего проводника коаксиального волновода, идущего из рабочей области генератора, с внешним проводником. Данное соединение осуществляется под углом 15° между трубкой внутреннего проводника и стенкой внешнего проводника, как показано на рис. 2. Далее стенка внешнего проводника коаксиального волновода используется уже в качестве стенки круглого волновода.

Рис. 2.

Конструкция используемого выходного преобразователя типов волн с рупорной антенной.

После преобразователя в выходном тракте ПРГ идет рупорная антенна – устройство, выводящее полученное в ходе работы СВЧ-излучение в открытое пространство.

Рупорные антенны находят широкое применение в СВЧ-диапазоне волн как самостоятельные антенны, как облучатели линз и зеркал и как элементы фазированных антенных решеток (ФАР) [11].

Волноводно-рупорные антенны обладают следующими достоинствами: простотой конструкции, высоким КПД, хорошим согласованием с питающим фидером (для конического рупора K_c = = 1.1…1.2).

Практически рабочая полоса частот рупорной антенны ограничивается полосой питающего ее волновода и составляет около 100%. Однако широкое применение рупорных антенн ограниченно их существенным недостатком: при больших значениях коэффициента направленного действия (КНД) (D_max > 100) рупоры получаются громоздкими.

В данной работе рассматривается коническая рупорная антенна длиной 330 мм и диаметром раскрыва 200 мм (см. рис. 2).

2. ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для выполнения поставленной выше задачи был использован программный комплекс COMSOL Multiphysics, который представляет собой широко известный набор инструментов для проектирования, моделирования и проведения оптимизации трехмерных электромагнитных систем. В этом программном комплексе была создана модель выходного тракта ПРГ. Ниже приведены параметры моделирования используемого преобразователя мод:

В результате моделирования выходного тракта ПРГ получилась зависимость диаграммы направленности (ДН) в Е- и Н-плоскостях от частоты.

На графиках (рис. 3а и 3б) построены диаграммы направленности рупорной антенны при различных частотах (3, 9 и 10 ГГц) в E- и H-плоскостях. На рис. 4 приведена зависимость коэффициента направленного действия от частоты. Из приведенных результатов можно сделать вывод, что при увеличении частоты ширина ДН уменьшается и на высоких частотах ДН в Е-плоскости отклоняются максимум на 3°. Одновременно с этим КНД возрастает с увеличением частоты до 9 ГГц. Все перечисленное выше происходит из-за того, что на этих частотах волна преобразуется не только в Н₁₁, но и в более высокие моды. При этом стоит отметить, что на частотах 9 и 10 ГГц появляются заметные боковые лепестки. КНД на частоте 9 ГГц больше, а диаграмма направленности уже, чем на частоте 10 ГГц.

Рис. 3.

Диаграммы направленности антенны в Н- (а) и Е-плоскости (б).

Рис. 4.

Зависимость КНД от частоты для рупорной антенны с преобразователем мод.

Из [10] известен модовый состав излучения на выходе преобразователя, на основании графиков, приведенных там же, можно сделать вывод, что в полосе частот 2…5 ГГц излучение ПРГ в основном преобразуется в моду Н₁₁, а после эта энергия расходуется на преобразование в другие моды. Данные подтверждаются экспериментом, описанным в работе [12]. Как видно из графиков (см. рис. 3) на частоте 3 ГГц нет отклонений максимума ДН и заметных боковых лепестков, а на высоких частотах появляются отклонения максимума ДН в E-плоскости и заметные боковые лепестки. Связано это с преобразованием выходного излучения в несимметричную Е-моду на более высоких частотах. Таким образом, при выборе частоты работы ПРГ нужно найти компромисс между высоким значением КНД, уровнем боковых лепестков и возможным отклонением ДН.

Как видно из рис. 5 данный СВЧ-узел имеет хорошее согласование в диапазоне частот от 3 до 10 ГГц, так как значение параметра S₂₁ в диапазоне 3…10 ГГц не опускается ниже –1 дБ.

Рис. 5.

Зависимость параметра S₂₁ от частоты для исследуемого СВЧ-узла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе было проведено численное моделирование частотной зависимости характеристик и параметров выходного тракта плазменного релятивистского генератора. Выходной тракт состоял из преобразователя типов волн выходного излучения ПРГ (из TEM-моды в моды круглого волновода) и конической рупорной антенны. В результате расчетов была получена зависимость диаграммы направленности, коэффициента направленного действия и передаточная характеристика от частоты в диапазоне 3…10 ГГц. Было обнаружено значительное изменение формы ДН и увеличение КНД с ростом частоты. Анализ полученных данных показал, что в рассматриваемой системе вывода излучения необходимо осуществлять оптимальный выбор рабочей частоты ПРГ на основе компромисса между высоким значением КНД и искажением формы диаграммы направленности. Для улучшения параметров значений КНД и уменьшения ширины ДН следует использовать параболическое зеркало на выходе выходного тракта ПРГ, тогда значительно увеличится КНД и уменьшится диаграмма направленности.