РЕЗОНАТОРНЫЕ ЗАМЕДЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Принцип действия электронных приборов сверхвысоких частот (ЭП СВЧ) и высокочастотных ускорителей заряженных частиц основан на взаимодействии потоков заряженных частиц с электромагнитным полем, создаваемым в электродинамической системе (ЭС) прибора. Достигнутое в последнее время существенное улучшение эксплуатационных параметров и характеристик ЭП СВЧ и ускорителей в значительной степени обусловлено разработкой и применением более совершенных ЭС, обеспечивающих максимальную эффективность указанного взаимодействия.

Сложность конструкции современных ЭП СВЧ и ускорителей заряженных частиц, трудность анализа происходящих в них физических процессов вызвали необходимость разработки численных методов расчета как отдельных узлов и процессов, так и прибора в целом. На базе этих методов создана и развивается система автоматизированного проектирования ЭП СВЧ [69, 2J, составной частью которой являются прикладные программы анализа и оптимизации электродинамических систем.

До недавнего времени в электродинамике ЭП СВЧ и высокочастотных ускорителей господствовали аналитические и численно-аналитические методы, включая ши- роко распространенный метод эквивалентных схем. По мере усложнения ЭС эти методы оказывались либо неприменимыми, либо не обеспечивающими требуемой точности. Однако успехи прикладной электродинамики н вычислительной математики, увеличение производительности и объема памяти ЭВМ сделали возможной разработку численных методов расчета ЭС, основанных на непосредственном решении уравнений электродинамики. В результате за последние 10-15 лет в СССР и за рубежом появился ряд соответствующих алгоритмов и программ.

Накопленный опыт нашел отражение в монографиях, посвященных аналитическим и численным Методам расчета замедляющих систем [91, 99], полосковых и мчкрополосковых устройств [76, 77], открытых резонаторов и волноводов. Однако численные методы расчета и проектирования полых резонаторов и резонатор-i* 3

ных замедляющих систем в монографиях практически не рассматриваются. Основной областью применения этих ЭС, характеризующихся вакуумным заполнением и сложной формой граничной поверхности, является интенсивно развивающаяся СВЧ электроника Оольщих мощностей.

В данной книге делается попытка обобщить и изложить с единых позиций имеющийся материал по численным методам расчета резонаторных ЭС. Глава 1 посвящена описанию объекта расчета. В ней приводятся классификация ЭС, определения их основных параметров и характеристик, рассматриваются типы и конструкции резонаторных ЭС. Особое внимание обращается на факторы, определяющие эффективность взаимодействия электромагнитного поля ЭС с потоком заряженных частиц.

В гл. 2 обсуждается постановка задач о свободных колебаниях закрытых ЭС. Подробно рассматривается важная с алгоритмической точки зрения возможность уменьшения числа неизвестных функций задачи и их размерности, приводится классификация численных методов решения внутренних задач электродинамики.

В гл. 3 описываются численные методы решения двумерных задач электродинамики, нашедшие применение в программах, разработанных в СССР и за рубежом. На основании предложенных критериев эффективности дается сравнительная характеристика различных алгоритмов, позволяющая оценить их достоинства и недостатки.

В гл. 4 рассматриваются численные методы вычисления параметров ЭС, специальные приемы, позволяющие уменьшить погрешность этих вычислений, связанную с дискретностью функций, приближенно описывающих электромагнитное поле ЭС. Приведены также методы определения чувствительности параметров к изменению размеров ЭС, позволяющие рассчитывать допуски на их изготовление.

В гл. 5 излагаются численные методы решения трехмерных задач электродинамики. Ввиду отсутствия универсальных алгоритмов изложение строится на примерах решения конкретных задач, таких как расчет электромагнитного поля и параметров высших видов колебаний аксиально-симметричных и многозазорных резонаторов, расчет параметров и характеристик замедляющих систем типа цепочка связанных резонаторов .

в гл. 6 рассматривается проблема автоматизации проектирования резонаторных ЭС, включая методы выбора исходного варианта и его оптимизации. Как известно, алгоритм оптимизации любого устройства включает построение целевой функции, служащей мерой оптимальности устройства, и последующую ее минимизацию методами математического программирования. Эти методы достаточно хорошо описаны в литературе и в данной книге не рассматриваются. Способы построения целевых функций, однако, специфичны для каждой задачи. Особенностью алгоритмов оптимизации ЭС является сравнительно большой объем вычислений, что требует правильного выбора исходного варианта конструкции и использования специальных приемов экономии машинного времени. Эти вопросы подробно рассматриваются в книге. Обсуждаются также принципы построения подсистем автоматизированного проектирования ЭС.

Изложение материала сопровождается описанием вычислительных программ. Приводятся примеры решения практических задач расчета и проектирования ЭС.

Авторы не задавались целью описать все известные численные методы расчета ЭС. В частности, в книге не рассматривается интенсивно развивающийся в последнее время метод декомпозиции, которому посвящена недавно вышедшая монография [77].

Предисловие, введение, гл. 1, 2, § 3.1, 3.5 - 3.8, 4.1, 5.1, 5.3, 6.1-6.5 написаны А. Д. Григорьевым, § 3.2, 4.3, 5.2 -В. Б. Янкевичем, § 3.3, 3.4, 3.9, 4.2, 6.6 написаны авторами совместно.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам докторам техн. наук Р. А. Силину, В. А. Афанасьеву и В. Т. Овчарову за ценные советы и замечания, которые были учтены при подготовке рукописи к печати и позволили улучшить ее содержание, и будут признательны за все критические замечания, которые просят направлять в адрес издательства Радио и связь : Москва, Главпочтамт, а/я 693.

Авторы искренне благодарны В. А. Мейеву и С. А. Силаеву, хотя и не принимавшим участие в написании книги, но сотрудничавшим при разработке программ и проведении расчетов, а также К- Г. Шити-ковой за помощь в оформлении рукописи.