Нестационарная дискретная теория возбуждения периодических структур и ее использование для моделирования ламп бегущей волны

Цели. В статье представлен обзор нестационарной дискретной теории возбуждения периодических электродинамических структур и обсуждаются приложения этой теории для моделирования микроволновых усилителей типа ламп бегущей волны с различными замедляющими системами. Методы. Дискретная теория базируется на представлении периодической замедляющей системы в виде цепочки связанных ячеек (осцилляторов). Однако эти осцилляторы не тождественны периодам структуры и каждый из них связан не только с ближайшими соседями, но и, вообще говоря, со всеми осцилляторами в структуре. Дискретная теория позволяет существенно упростить моделирование распространения электромагнитной волны в периодической структуре по сравнению с непосредственным интегрированием уравнений Максвелла. В статье представлен вывод уравнения возбуждения дискретной теории из уравнений Максвелла и рассматриваются результаты численного моделирования процессов электронно-волнового взаимодействия. Результаты. Воспроизведен вывод уравнений нестационарной дискретной теории возбуждения С.П. Кузнецова, рассмотрены дальнейшие направления развития этой теории, включая гамильтонову формулировку. Изложены результаты моделирования лампы бегущей волны с цепочкой связанных резонаторов C-диапазона, включая сложные переходные процессы при паразитном самовозбуждении вблизи частоты отсечки. Обсуждаются дальнейшие направления развития дискретной теории, включая гамильтонову формулировку. Представлены результаты моделирования спиральной лампы бегущей волны Ku-диапазона с выходной мощностью 170 Вт, которые хорошо согласуются с результатами экспериментов. Выводы. Нестационарная дискретная теория возбуждения, предложенная С.П. Кузнецовым в 1980 г., является мощным инструментом для моделирования распространения электромагнитных волн в различных периодических структурах. На ее основе реализованы алгоритмы и компьютерные программы моделирования нестационарных процессов в лампе бегущей волны, которые в настоящее время широко используются в фундаментальных и прикладных исследованиях.