Zastosowanie analitycznych i numerycznych metod wspomagania projektowania do lamp z falą bieżącą

• Autorzy: Wiejak, W. T.

Warianty tytułu

EN

Application of the computer-aided analytical and numerical methods to design of the traveling wave tubes

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Prezentowane w pracy wyniki powstały na bazie rozprawy doktorskiej autora pod tym samym tytułem oraz wyników uzyskanych w ramach realizacji projektu rozwojowego MN i SW na opracowanie lampy z falą bieżącą (LFB) LO-500 („Opracowanie i wykonanie prototypu lampy o fali bieżącej, o dużej sprawności dla komunikacji troposferycznej i satelitarnej” nr OR00 0010 06). Przedstawiono wyniki zastosowania wybranych metod analitycznych i komputerowego wspomagania do projektowania LFB. W ramach metod numerycznych zastosowano trzy programy typu FEM (ang. Finite Element Method) (ANSYS, HFSS, AMAZE), program typu CAS (ang. Computer Algebra System) (MAPLE 13), program typu CAD (INVENTOR) oraz program do obliczeń parametrów spiralnej LFB (EXPRES). Programy typu FEM zastosowano do symulacji wiązki elektronowej w obszarze wyrzutni, kolektora oraz jej transmisji w układzie ogniskującym, obliczeń właściwości transmisyjnych przejścia KF (przejście dopasowujące linię koncentryczną do falowodu) oraz symulacji pola temperatury struktury spiralnej linii opóźniającej (LO). Temu zagadnieniu poświęcono szczególną uwagę. Właściwości cieplne LO są jednym z zasadniczych czynników decydujących o trwałości struktury i niezawodności LFB. Zastosowana tutaj analityczna metoda wyznaczenia postaci funkcji rozkładu gęstości mocy strat w linii opóźniającej, w decydujący sposób wspiera numeryczną metodę obliczeń pola temperatury LO i prowadzi do poszerzenia możliwości reprezentowanych przez każdą z tych metod z osobna. Zarówno uzyskana analitycznie postać funkcji jak i obliczone numerycznie pole temperatury pakietu LO oraz pozostałe wyniki symulacji i obliczeń zostały zweryfikowane na drodze eksperymentalnej.

EN

Presented results of applied research are developed on the basis of the PhD thesis of the author and with support of the grant of Polish Ministry of Since for design of 400 W continuous wave TWT for telecommunication purpose. The paper describes application of the numerical and combined theoretical and numerical approach for design of fundamental parts of helix TWT. The use of different numerical finite element methods (FEM, ANSYS, HFSS and AMAZE), computer algebra system (CAS, MAPLE), computer-aided design (CAD, INVENTOR) and EXPRES code for calculating the parameters of helix TWT arę discussed. The problem of a heat dissipation in the helix delay line during a gain process of the RF signal power is considered. Based on the analytical differential methods, the equation of energy conservation for beam power heat losses power and RF power was solved. In result, the function ot linear density of power heat losses is found. Furthermore, the temperature field of the delay line structure as the function of this parameter is calculated by the numerical simulations of heat flow in the ANSYS FEM solver. Therefore, the normalised temperature of a vacuum envelop of TWT predicted by this relation is compared with the normalized analytical formula of power density. Obtained results confirm correct form of the derived analytical formula.

Słowa kluczowe

PL

lampa z falą bieżącą; metoda elementów skończonych; wyrzutnia elektronów; linia opóźniająca; kolektor elektronów; pole temperatury; gęstość mocy strat

EN

travelling wave tube; finite element method; electron gun; delay line; collector; temperature field; density of power heat losses

• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 54, nr 3
• Strony: 49-55
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., wykr.

Twórcy

autor

Wiejak, W. T.

• Bumar Elektronika S.A. Warszawa, Oddział Wrocławski, Wrocław

Bibliografia

• [1] Alaria M. K., Sunny, Sinha A. K., Srivastava V.: Thermal analysis of slow wave structure for a space helix travelling wave tube, Indian Journal of Pure & Applied Physics Vol. 48, December 2010 pp. 904-907.
• [2] Barker R. J., Booske J. H., Luhmann N. C., Nusinivich G. S.: Modern Microwave and Millimeter-Wave Power Electronics, IEEE and Plasma Sciences Society, Sponsor, 2005.
• [3] Czarczyński W.: Sprawozdanie Merytoryczne z Wykonanych Badań Przemysłowych (Stosowanych) i Prac Rozwojowych, Załącznik do raportu końcowego z realizacji projektu nr O R00 0010 06, 2010.
• [4] Gilmour Jr., A. S.: Principles of Traveling Wave Tubes. Artech House INC, 1994.
• [5] Korusiewicz M., Metoda uwzględniania efektów brzegowych przy projektowaniu magnetycznych, periodycznych układów ogniskujących, Prace Naukowe Instytutu Technologii Elektronowej Politechniki Wrocławskiej Nr 14, Konferencje nr 2, 1975.
• [6] Kempisty Z., Czarczyński W.: Perspektywy rozwoju mikrofalowej elektroniki próżniowej dużej mocy, Elektronika nr 9/2010, str. 124.
• [7] Schindler M. J., An Improved Procedure for the Design of Periodic-Permanent-Magnet Assemblies for Travelling-Wave Tubes, IEE Trans. on Electron Devices, vol. ED-13, 1966, No.12, pp. 942-949.
• [8] Scott A., Cascone M. J.: Technical Digest, 1978 IEDM. 1978 IEEE.
• [9] www.pitow.wroc.pl, strona internetowa firmy Bumar Elektronika SA. - 2012.
• [10] www.fieldp.com, strona internetowa firmy Field Precision LLC - 2010.
• [11] www.ansys.com, strona internetowa firmy Ansys Inc. - 2011.
• [12] www.maplesoft.com, strona internetowa firmy Maplesoft - 2012.
• [13] Wiejak W., Klembowski W., Zajdel A.: Wzmacniacze mocy na miniaturowych lampach fali bieżącej w zastosowaniu do anten elektronicznie sterowanych, materiały 4 Konferencji Urządzeń i Systemów Radioelektronicznych, Rynia, 16-17 listopada 2012.
• [14] Wiejak W.: Zastosowanie analitycznych i numerycznych metod wspomagania projektowania do lamp z falą bieżącą, rozprawa doktorska, Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, 2012.
• [15] WIEJAK W., Wymysłowski A.: Uproszczony analityczny model rozpraszania mocy w linii opóźniającej lampy fali bieżącej, Elektronika 2010/3.
• [16] Wiejak W., Wymysłowski A.: Zweryfikowany analityczny model rozpraszania mocy w linii opóźniającej lampy fali bieżącej, Elektronika 2011/9.
• [17] WIEJAK W., Wymysłowski A.: Thermal analysis of TWT delay line by combined theoretical and numerical approach, papers of XXXIII International Conference of IMAPS - CPMT IEEE Poland, Pszczyna, September 2009.
• [18] Wydymus D., Francik A.: Przejście KF do lampy LO-500 bazujące na falowodzie WR-187, Raport z prac prowadzonych w ramach projektu O R00 0010 06 Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, 22 września 2009.
• [19] Wymysłowski A.: Zastosowanie modelowania numerycznego do analizy rozkładu temperatury w lampie z falą bieżącą typu LFB LO-500 : część 1, Raport z prac prowadzonych w ramach projektu O R00 0010 06 Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, niepublikowany, Politechnika Wrocławska 2009.