Численное моделирование динамики трехмерного электронного потока в генераторах М-типа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РОСТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Для служебного пользования

Экз.№ 00051 V.:-

На правах рукописи АНИКИН Андрей Владимирович

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТРЕХМЕРНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА В ГЕНЕРАТОРАХ М-ТИПА

01.04.03. — радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

РОСТОВ-НА-ДОНУ, 1990

7//О-

Работа выполнена в Симферопольском государственном университете имени М. В. Фрунзе.

Научный руководитель — доктор физико-математических наук,

профессор А. Г. Шеин.

Официальные оппоненты—доктор физико-математических наук,

профессор О. В. Бедкий; кандидат физико-математических наук, доцент Т. К. Нойкина.

Ведущая организация — Институт радиофизики и электроники Академии

Наук УССР.

Защита состоится « » > ^У'^Ц . . 1990 г. в . часов

на заседании специализированного совета К 063.52.11 в Ростовском государственном университете по адресу: 344104, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194, НИИ физики, ауд. 411,

Автореферат разослан ЛЬ > . 1990 г.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РГУ, г. РостоЕ^-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Ученый секретарь

специализированного совета К 063.52.11 кандидат физико-математических наук, доцент

Г. Ф. ЗАРГАНО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблдмц. Развита© электроники СВЧ сопровождается • повышением требований н качественным тарактеристикам СВЧ аппаратуры. В настоящее время все более широкое применение находят магнетроны с вторичнхатссионным (голодным) катодом и акяхэшссюнным запуском. Преимуществами таких приборов являются отсутствш дополнительных энергетических затрат на шдогрев катода. отсутствие жголвигальной цопи питания . (какала), 'что упрощает ик эксплуатации, а главное - практически мгновенное время готовности, необходимое дет бортовых систем.

К недостаткам шгшгрошв с вторичноемисстнным катодом и евтавмяссиояшм запуском мояю отшсти склонность к нестабильной работе, искажениям ишвшенкому уровню побочных колебаний спектра выгодного сигнала. V - " '

Проблема, апензромагняиюй совшсттахгги (ЗЖ) радахредгтв стоит , в созреуанвэй ралгкшезлрошгсэ евсьш остро и вцдвигаэт растусЕЭ требованйя - к источнику СВЧ снвргии.- Значении частот составляющих сготсгра, ' уровня таковой ютщости и сшкгральная платность генерируемых коаксиальным магнетроном (КМ) сигнаяоз зависятот многие ; факторов, вйлвчайщш резонансные свойства голебателыгой .системы; и/ выходного устройства, резонансные состояния кот нэустойчггвости. элгегсгро15Юго штока. парештра тодуяиружщего импульса и др.. и во шогом спредэжшгся даиш/жеой электронного гогока. В частности. лежится в пилу глехашззш. связанные с резоЕансЕьг,ет явлзшеаи в замкнутом потоке. (в том число и нз зависящими от элехягродшамтгевскнх характеристик колебательной систе?.ъ1), с аистами нелинейных взаимодействий потока и СВЧ полей (усиление. пуг.ювш колебаний. ушоиение -частота» появление ихзг.й-ншеюнныз соетавлящяз: п т.п.) с эффектами при йоршреваиз штока на фронта шдуякруЕщого импульса и т.д. С позиций 3"С Еажко т:эть нпзкга уровни побочных колебаний как екпшга в СВЧ трасте» так и сигнала вкетракгавого нзлучзши (ВЦ).

Дальнейшее совершенствование щдайоров тгнетроннога типа и говккенкз ж ксикуренхЕОсхюссбности агносшвлыга других ЗВП СВЧ в свате указанных проблем требует тщательного изучения шшизмоз формирования и динамических характеристик трэхлерныз электронных

потоков в скрещенных полях.

Азимутальная и аксиальная неоднородность электрических и магнитных скрещенных полей оказывает существенное влияние на поведение пространственного заряда. (ГВ) в приборах магштронного типа [Коллинз, Л.С.Рошаль. Г.Г.Соминский и др.]. Разрезная структура анодного блока, краевые поля» обусловленные конечностью осевой длины прибора и 'наличием катодных экранов, осевая и азимутальная неоднородность внешнего магнитного поля приводят к сложным колебательным состояниям в облаке . пространственного заряда, которые имзиг существенно трехмерный характер и затрудняют построению строгой самосогласованной аналитической теории процессов взаимодействия в магнетроне.

Теоретические оценки показывают [Банеман], что величина собственного тгнитного шля эдектронюго потока меньше чем на порядок значения индукции внешнею статического магнитного поля ь приборам М-ткш к интегральные выходные характеристики (мощность, к.п.д., частоту) существенно не изменяет.' Однако влияние собственного магнитного шля потока на динамические флуктуадаонные характеристики трахмертго пространственного заряда до сих пор не рассматривалось.

Исследование этих и других особенностей взаимодействия электронного потока с алвктрошгнктныда полями возможно лишь с помощью ттематического шделированш, которое является сейчас одним из наиболее эффективных катодов исследования в акектронике СВЧ. Создание строгих штшатичвскш мэдзлей и штодов - кг численной реализации представляет ссбой важнейшую часть проблемы, которая связана с заменой дорогостоящих и трудоемких натурных экспериментов гораздо более ' ш^хэрштившш • и экономичными численными экспэрименташ.

Дэстигцутыэ усшхи в области - численного моделирования процэссов взаимодействия в системах М-типа [А.С.Рошаль, В.Б.Байбурин, А.А.Шадрин и др.) показали перспективность ьсделирования и Еоздажюсть включения моделей в общую структуру САПР ЭБП СВЧ. Вместе с тем расхождение количественных результатов натурного и численного экспериментов дай ряда, однотипных приборов свидетельствует о несовершенстве тех исходных представлений о процессах взаимодействия в скрещенных полях, на основе кагора

строится численная модель. Таким образом, на сегодняшний день остается актуальной проблема создания адекватнхтх чтленшз: моделей электронных приборов М-тапа с гарантированным диапазоном погрешности расчета для. научных исследований и САПР ЗЗП СВЧ.

Целыо работы является исследование методом шкленюго моделироваши процессов формфошгшя и щшнглт'есшк харзхсгеркстк!-трехмерного электронного потока при наличж пеодюродЕЯх статических электрического я ьяплглюго полей с учетом собственного квазвлшэтеского шгнигшго поля потока на фронте шдулирувдего импульса и в стащктарком решав генерации коаксиального магнетрона с голодным катодом и штоемжаташкм запуском.

Научная новтащ полученных результатов зщанягется в следующем.

1. Разработана и 1фограшпо реализовала численная тразмзрззя юдаль автогенератора М-ткпа.

2. Еыявлены и исследованы факторы, пренебревэнт которыми при численном моделировании приборов магпэтронного типа приводят к существенным расхождениям расчетных и экспэрк?,1витальных данных. Показана необходамость их включения в адекватную численную шдель для САПР ЭВП СВЧ.

3- Определен механизм 1$ормировешия электроншго потока ш фронте модулирующего ишуяьса коаксильного кагкетрона с втсрхгеноЕМшягоншм катодом и аютзгалкссгонЕым запуском, а тщс© выявлены особенности возбуждения рабочего вида колебаний.

4. Определены и исследованы неустойчивости и щуглы трехмерного электронного потока КМ в стационарном режвлэ генерации в зависимости от различных фажгороз: рабочего режима, геометржескнх размеров пространства Е2аи?,»действия (Ш), эмиссионной способности катода, пеоднороддаостн магнитного шля.

5 . Покапано влияние ш данашку и колебания просгранствешого заряда собственного квазкстатичэского магнитного шля электронного штока в приборах тгозтрошого тшш.

На заишу вшосятся сдедушкв основные изложения.

1. Модель и методика трег^рпого численного моделирования процессов взаншдействия электронных штанов с эдектрошгншшш тдшз в автогенераторах М-<гкт.

2. Доказательство того, что в Чйслашой трахшрной модалл для тдучзния корректные кашгаэственнш; результатов шобхода.о учитывать исказвБЫЕЭ гространствэншй структуры СВЧ паяя рабочей гармоники замздаяпзей системы (ЗС). которая распространяется только до синхронного радиуса электронного потока как говерхшсти с бескошчюй шлвой проводимостью для этой гаршники, шодаородность шекгростатичаского поля, обусловленную торцевыми областями, концэзкш катодными экранами и разрезной структурой анодного блока, неодшродюсть магнитного шля за счет нвсоосностей, нарэкссов и форма шшсньк наконечников, а также прикатодный минимум потенциала.

3. Результата исследования условий стабильной работы КМ с голодным катодом и автоэшссыэнным запуском на фронте юдулкруюцего 1?,яульса, механизм формирования облака пространстввнюго заряда, условия ударшго возбуждения шт колебаний анодюй SC. . _

4. Результаты исследований динамики трекерного ааекггроншго штока в решмэ стационарной генерации в зависимости от рабочего реашма магнетрона, эмиссионной способности катода, нэодаородахти магштюго шля, собственного квазжутатичэского магнитного поля простраыггванюго заряда, а таюш взаимосвязи радиальных: к азимутальных колебаний потока с аксиальными колебаниями»

Практическая ценность. Научные, результаты, содеркащиеся в диссертации: разработанные метода численного мэдэощрованкя процессов взакюдействия трашерных электронных- штоков, в скрещенных полях, исследовакйэ : численньш шгрешностей ' и определение условий адекватности моделирования - могут быть непосредственно кспользоваш при разработке САПР ЭВП СВЧ М-типа. Выявленные осговнш факторы, существенно ! влиявдиэ на . совпадение количественных и качественных результатов натурного и численного эксгоркмэншз продрашляш1 большой интерес с точки зрения теории ттештичвского моделирования СВЧ генераторов и усилителей М-типа.

ЕЬщгчзннью результаты исследований процессов формирования и динамических характеристик трехмерного электронного потока на фронте шдулкрундего импульса и в стаддавараюм режим© генерации Kfd с голодным катодом и ашоэмшсизншм запускал могут быть использована для дальнейшего совершенствования таких, призеров,

• ' . " ', .'.'.■в

устранения присущих им недостатков, а тангв при анализе причта отказов ЗВП СВЧ М-тила.

Обоснованность и дэстовеоность результатов и вызодзв диссертации обусловлена адекватностью исходна фтаггэаагх предпосылок и разрабэганшй матештачэской модели реальным процессам в генераторах М-гс-та; использованном математически корректных численных методов решения; контролем точности численных расчетов; качественным подгвервдрзизм результатов теоретичэсшп исследований натурным зксшрженгсм; согласованность!) с .рззультатами, полученными другими авторами.

Апробация работа и пу&шгяшта. ' Результата работа

докладавалксь и обсуждались ш Всесоювзм тучш-техшческом симпозиума "Злекгрошгшстная - сов,%^зспагость радгюэдехсгронных средств", Мэсхва» 1986 г., та Всесоюзных науч1вэ-техн1гас1аз: конференциях "Актуальные проблемы электронного щ^яЗоростроент", Новосибирск, ВЭТЙ, 1388 г., 1990 г., на Всесоюзном семинаре "Искажения « коррекция сигналов в электронных приборах СВЧ". Мхква, МИЗМ, 1988 г., т. ЕесгоЗ Есссскзясй ишлв-ссЕецашж' шлодых ученья и специалистов "Стабилизация. -частота", Канзв, 1339 г., ка восьмой зимней шноле-семинарэ кннэкеров, Саратов, 1930 г., на Всесоюзной научно-технической конференции "1'етодц представления и.обработки случайных сигналов и шлей". Харьков, ХЙРЭ. 1389 г., на втором мэзшедаственном шучхю-тэхЕичвском семншро, Харьков, ИРЭ АН УОСР, .1387 г., та прсфессорсио-прешяэЕататьсютх конференциях СГУ, С&мферапшь. 1935-1930 гг., а таютэ были использованы в НИР яСовмесш»юсть-Х-84",. Харьков, ХЙРЭ, 1986 г. и НИР "Салон", Кыгвди, в/ч 67947» 1S89 г- Ib материалам диссертации опубликовано тринадцать печатай работ.

Личный вклад диссертанта в работы, написанные в соавторстве, заключается в реаении поставленных задач, разработке алгоршт/та и программ, проведении вычислительных и натурных экспериментов, анализе подученных результатов.

Огруктуш. и объем диссертации. Диссертационная работа состоит та зведзнкя» четырех разделов, заключения (139 страниц основного текста), содержит 67 рисунков (39 страниц) и включает сшсок использовании источников из 107 наименований (14 страниц). Общий объем диссертации 185 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАШШ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель, показана научная новизна и практическая ценность далучэнньЕ результатов. Насажаны основные научные голааанЕя, вышсимые на защиту-

В первом разделе разработана методика численного трехмерного моделирования процессов вгаяь.одайствия электронного потока с здекяромагнигными поляг/и в автогенераторах М-типа. Основой ттематической модзли процесса взаимодействия является скстема уравнений движения, отрайащая поведение электронного штока, и система уравнений возбузздзния замэдаяндей системы, подученная из уравнений Максвелла и определяющая адентрошгаигаое поле, возбуждаемое объемным током в пространстве взаимодействуя. Совместное реиенке данной систеш уравнений представляет собой «^^согласованную задачу, которая в общем случае ■ является нелинейной и но имеет аналитического резаки.

Предлагаемая вдшвщрическая модель кагнстрона шеет б своей основе методику. кзжкдаицув в работах А.С.Рогаля, Г.Г.Мэносова» В.Б.Байбурика и др., но отличается рядом особенностей и больсег полнотой учитываемая факторов, влиякзк на процессы вашодойствия. Модель позволяет ксследовать шотчастоткые переходные процессы. Для этого 1:сшльзуигся частицы с переменным зарядом, поскошыз общй заряд шкзэт меняться на несколько горядкоз, з рассматривается не один шриод рабочей волны, а весь объек пространства взашодействиа, что дает всззмсйшэсгь учесть все видь колебаний резотторной систеш и ш цростравстЕекше гармэшсш.

Разработан мзтод еэйзнэешя. заряда модздьше частиц с контролем вдасшаг гогрешшстей, что позволяет исследовал колебания плотности прсхлтранственшго заряда в вирсжиг пределах. Используется локальное и глобальное (временное и пространственное сглаживание распределения шделъвой платности ГО, что зко::о:.':г ¡ресурсы ЭВМ.

Кроме того, првЗлшыешо рассчптьзается собственное шпеегш поле электрошюга потока, учитывается прикатсдный шнщу! потенциала, шодазродность элеетростатадасшго поля за счз торцовых областей м целей анодного блока, неоднороднсст

кшлттостатического поля, отраженная от нагрузки ВЧ мощность л динамическое внутреннее сопротивление юдулягора.

Обобщенная структурная схема алгоритма модели выглядет следующим образом. Все осювкыэ расчзга проводятся в никло по времени. Для исследования связи (^ашзтрон-кэдулятор решается сксте;.-а линейных дифференциальных уравнений» ошсивапних цепь питания прибора, в которой ?,пп:егрсн представлен эквивалентной схемой с мэняздкмися во времени шрзтлэтрзлп. ко извэс-тасм с предыдущего временного пага мгновенным значениям токов и .гапрязкэний на элементах цеш модулятора рассчшляЕаигся те кэ значения для следувдего сага и определяется млювеппоэ ашдаэо капряшнпв магнетрона.

При моделировании вторичной и термсемкссш в ПВ вводятся поступащиэ с катода частицы с сосга^гствущг?.« расцредолеппями по координатам и скорости.! вшота. Если после введения эжссгонннх частиц от общее число Н0 не попадает в некоторый заданный интервал проводится процедура переукрушвшш заряда частац с сохранением распределения плотности Ш я выполнением закона сохранения энергии. Затем вычисляется сеточная плотность ПЗ прикатодной и пространственной сеток с применением локального (временного и пространственного) и глобального сглаживания фяуктуаций модельной плотности Ш.

Уравнение Пуассона решается методом Хокзш дая пространства взаимодействия и прикатодной области и эти решения сшиваются. Собственное квазистатгнесксе магнитное поле потока определяется путем решения на двумерной сетка гг-коордшат уравнения Пуассона, записанного дая векторного потенциала магнитного поля с "бесконечными" граничными условиями. В правой части этого уравнения исгользуется усреднзшгаэ ш координате р распределение азимутальной плотности конвекцношого тока.

Далее в цикле цо частицам, образующим электронный шток, для каядой из них в точке еэ нахождения вычислялся поля: неоднородное электростатическое и поле ГО - дифференцированием соогветствуггего сеточного потенциала со сглаживанием локальных флуктуаций, электрические шля вкпрз колебаний ЗС - тем то дейеренпированием сеточных потенциалов видов идти аналитически (при большом числе рассматриваемых видов), магаигооэ пола потока - дифференцированием

сеточтго векторного потенциала, магнатостатическкз ловя авашигаэски или жнгбршпфованиэм заданной сеточной структуры. Затем методом, сочетаниям :жстратляцконныэ формулы Адамса. для скоростей и степзнные ряда для координат, решится уравнения движения частицы.

С помощью уравнений взаимодействия потока с полем каздого евдв колебаний (используется цряше регент систеш уравнений второго горздка) методом прогшза и коррекции определятся новые значения мгновенных амплитуд полай с учетом отраженной от нагрузки ВЧ мощности. Проводится статистическая обработка и вывод на какой-либо носитель информации промежуточных результатов для ш дальнейшего пользования специальными программами сортировки и обработки результатов шдеяирования. Бо достижении текущим временем 1 заданного продала Ти вычисления прекращаются.

Рассмотренная схема представляет собой замкнутую самосогласованную систему, которая позволяет моделировать трехмерную динамику процзссов взаимодействия в мзгнетронкых генераторах и легко шдарзднруется дал других приборов М типа.

Болывоэ внишкиз уделяется исследовании численных погрешностей. Разработана тестовая програ\с/л для эмпирической оценки шгреэностей методов моделирования, определяющая оптимальное сочетшЕ-:е численных схем. С ее помощью выбраны наиболее эффективные методу ресенкя уравнений математической модели. Ошсаш факторы, цриводядш к "машинным" шумам и численным неустойчивостш при моделирована электронных приборов М-тилэ. Определены и конкретизированы соотношения для оценки и минимизации чжжшшх эффектов (настройка годели на конкретный прибор). Предложи алгоритм акгоматичэского Еыбора параметров дискретизации ■ модами, гозвсшяадий реять проблему включения численных даделей алеетронннх приборов в САПР ЭВП СВЧ.

Во втором.раалэле выявлены факторы, лренвбреиазнго которыми при численном шдалировании щзибороз кагнетронного типа приводит к существенным расхождениям расчетных, и Ексдаришнгалышх данник. Прикатодаый минимум потенциала играет важную -. роль токорасщредашпеля в процессах формирования и_тддержания облака Пространственного заряда. Без его учета,, да-видашму, не имеет сшсла исследовать с хюмощьв численной медали влияние на генерацию

эмиссионных характеристик катода. В болызей степени это касается шгнетронного дгода и магнетрона поверхностной волны (МПВ).

Выяснено влияние глубины проникновения СВЧ поля в электронный поток на выходные характеристики и подтвержден вывод теоретических работ о распространении поля взаимодействущей гармоники только до синхронного радиуса как поверхности с бесконечной полней проводт.юстьв дая этой гармоники. Пренебрежение этим обстоятельством в модели приводит к завышенным расчетным значениям тока» мощности и особенно сдвига частоты (в несколько раз).

Аксиальная неоднородность электростатического поля в пространстве взаимодействия существенно зависит от геометрии торцевых областей и концевых экранов. Полученные зависимости выходных характеристик от расстояния мззду экранами и их радиуса свидетельствует!, что одной га возможных причин нестабильности частоты генерации является больаой коэффициент теплового расширения материала катода, в результате чего при колебаниях температуры катода возможно изменение расстояния между экранами и неоднородности электростатического шля. Показана возможность создания югнетрона с перестраиваемыми параметрами (частотой) путем изменения неоднородности электростатического поля. Из юлупоншх зависимостей • следует обязательность учета краевых аффектов в адекватной численной модели.

Исследована азимутальная неоднородность электростатического поля, обусловленная наличием целей в анодном блоке магнетрона, и ее влияние на выходные характеристики прибора. Азимутальная составяяицэя напряженности неоднородного статического поля быстро убывает с удалением - от анода и мэмет играть заметную роль, го-видимому, только дая МПВ. Усредненная по азимуту радиальная составляющая имеет такое мз распределение как и однородное поле, поэтому ее можно учитывать в модели путем уменьшения напряженности однородного статического поля на предварительно . вычисляемый коэффициент.

Предложена методика, позволяпдая не только уточнять значение характеристического сопротивления резонаторной системы на рабочем виде колебаний, но и определять его на других видах. С помощью этой методош мзшю исследовать поведение характеристического сопротивления в зависимости от воздействия различных факторов

перестройки частоты, жзмзнеши нагрузки, режима работы, влияния побочных колебаний. Для оценки адекватности разработанной численной модели были рассчитаны характеристики и отдельные рабочие точки двадцати магнетронов. В целом получено хорошее количественное и качественное совпадение результатов натурного и оделенного экспериментов. .

В третьем разделе исследован механизм формирования и динамические характеристики электронного потока на фронте мэдулирувдего импульса коаксиального магнетрона с вторинноемиссиошшм катодом и автоемиссшшшм запуском. На стенде динамических испытаний экспериментально установлено, что на стабильность работа КМ с холодным катодом и автоэмиссионшм запуском (т.е.' флуктуации фронта огибашей ВЧ импульса, двоение вершины импульса тока, пропуски импульсов и как следствие искажение спектра сигнала) существенно влтж рабочий реши го магнитному пола и анодному напряжению, крутизна фронта модулирующего импульса, а также эмиссионная способность катода и автоэмиттера.

С помощью разработанной численной модели установлен механизм формирования облака пространственного заряда ка фронте модулирующего импульса исследуемого КМ, который заключается в следующем. На начальном участке фронта импульса устанавливается двухпоточное состояние электронного потока и, соответственно, двугорбое распределение плотности БЗ вдоль радиуса. Накопление заряда происходит только за счет тока автаэмштера, ток обратной бомбардировки катода и вторичной эмиссии незначительны. Энергетический спектр частиц, попадающих на катод, имеет максЕелловское распределение с максимумом порядка . нескольких десятков апектронвешьт. По достижении у внешней граница электронного потока определенной платности в потоке возникает >и нарастает бегущая в азимутальном направлении волна пространственного заряда. Число вариаций этой водны зависит от геометрических размеров пространства взаимодействия и рабочего режима (В0,иа).

Нарастание азимутальной волны Ш обусловлено тем, чте ссектрон, движущийся по циклоиде, попадая в торг/озяаущ фазу шля сгустка, на кавдом витке отдает часть своей южэпгчэсшй энергии,

поднимается к внешней границе облшса я погадает в потенциальную ту сгусгт, передавая потоку потеггцйзльную энергии, ¡заключенную мззэду катодом и высотой вращения сгустка. Те электроны, которые находятся в ускорягсей £лзе поля сгустка получают дополнительную кгазэтическуэ енерпта и везврашюгея на катод.

Таким образом, происходит фазовая сортировка электронов подобная сортировке ВЧ волной в приборах магнетронного типа. Электронный поток "разогревается", турбулизуется и его структура переходит в повое устойгаяюе состояние в ввде врацаицихся вокруг катода и своей оси сгустков пространственного заряда. В этот момент мгновенная моцность бомбардировки катода и моцность, дагрэбдяе.ая внежей цепи источника питания имеет "пики" резонансной формы, дзеткгащие десятков киловатт. Энергетический спектр бомбардирующих катод электронов "расплывается" до 350-400 еВ, появляется сильная вторичная змкссня, эффективный коэффициент вторичной е;.яссш становится больсе единицы, происходит лавинообразное разкэзмзтягэ ачектронов и быстрый рост плотности пространственного заряда. С переходом в новое устойчивое состояние »эксведлоЕское распределен:;© частиц по энергиям бомбардировки Еосстзглвливается.

Весь переходный процесс занимает 10-30 вдклотроиных периодов ш вреуйш и относительно длительности фронта модулиругцего импульса происходит практически мгновенно. Промежуток времени от начала фронта шдулирущего и/пульса до момента лавинообразного размножения электронов мсяшо считать временем формирования электронного потека, т.е. временем .готовности к началу генерации. С помощью разработанной голуагаллгической мэдели получены зашекмости времени формирования электронного потока от вторичвсемисстнной способности катода, тока автаэмиттерэ и крутизны фронта дадулщллпцего импульса. Установлено, что существует- критические значения' крулены фронта, максимального кпеффкцкзига вторичной эмиссии и оп юс ягельного умзньшенкя тока автозмиггера» яеиадвз вблизи рабочих значений, нарушение которых, приводит к затягиванию формироваизя потока, что вызывает нестабильность запуска шгнетропа, пропуски импульсов, флуктуации ©гада сгибандай СВЧ импульса в. как следствие, искажение пжолзого спектра сигнала.

В КМ с холодным катодом и автозшттером после лавинообразное размножения электронов на фронте мздулирувдего импульс; электронный поток аиъно продадулирован в азимутально; направлении-. Если в этот момент анодное напряжение достиг® напряжения возбуждения того вида колебаний, у которого волнова число у соответствует числу вариаций вдоль азимута волны ИЗ, то ] •атом случае возможно ударное возбуждение такого вида за 20...а циклотронных периодов. При. этом амплитуда этого вида нарастает д значений, затрудаялдих возбуждение следуюдего помогавдего вэд колебаний. Зстафеткостъ процесса передачи СВЧ энергии ] стабилизирующий резонатор нарушается, что привода' ; неустойчивости возбуждения рабочих колебаний и соответственно флуктуацкям фронта СВЧ импульса. Однако, можно подобрать геометра пространства взаимодействия, рабочий реким и параметры катод таким образом, чтобы происходило ударное возбуздение рабочэп п-вида. При этом время установления амплитуда стационарны: колебаний сокращается на порядок по сравнении с режима всобувдеиия с термоемкссионным катодом.

Ч'этьертый газдел посвящен исследовашш путем численнов моделирования неустойчсшосгей и шумов трехмерного электронноп потока КМ в стационарном режиме генерации в зависимости а 1>абочего р^шма, геометрических размеров пространств; взажедейстшя, эииссионной способности катода, неоднородное!-, магнитного поля, а также исследованию влияния на динамику кол-:*Зания пространственного заряда собственного квазисгз.тическол магнитного тюля электронного потока в приборах магнетронного типа

¿улйизи циклотронного резонанса (когда рабочая частота ц црпблккается к циклотронной частоте шс) обнаружена сильна паразитная модуляция электронного потока и выходных параметров ; КМ и классических магнетронов, которая приводит к нестабшгьност работа и • загрягдает спектр сигнала и ВТИ. Путем подбор внутреннего полного сопротивления модулятора на основной частот паразитных колебаний можно несколько стабилизировать работ магнетрона. Дм исследуемого КМ оптимальная величина внутрешзг сопротивления составляет 10.. .15 Ом.

Амплитуда паразитных колебаний .ъ-.-еет ярко выражении резонансный характер в зависимости от анодного напряжения

индукции магнитного поля с максимумом при С приближением к

условию циклотронного резонанса шумы электронного потока сильно увеличивается.. Плотность спектра параз1гтных колеба:ий анодного тока магнетрона в районе частоты 0.3а)„ имеет резонансный характер и возрастает на 22 дБ, увеличиваются шумы азимутального зондового тока (на 20 дБ) вблизи первой гармоники.

Неустойчивость электронного потока зависит тага© от геометрических размеров ПВ- Taie с увеличением отношения радиуса катода' к радиусу анода на 2.5...3% стабильность работы исследуемого КМ повышается, возрастает мощность бомбардировки катода, что улучшает условия вторичнозмиссионного размножения электронов, амплитуда паразитных колебаний электронного потока уменьшается в 2 раза. Однако при этом снижается выходная мощность прибора на и электронный к.п.д. на 15...19Ж.

Исследовано влияние вторижюэмиссиошюй способности катода на уровни гармоник азимутального тока КМ и шумы пространственного заряда. Наибольшая зависимость уровня от ат проявляется у третьей гармоники. С уменьшением ат ее амплитуда увеличивается и начинает превышать уровень второй гармоники при ст=2.5, а затем падает до прежнего значения. Увеличивается такие амплитуда первой гармоники. Показано, что с уменьшением коэффициент вторичной эмиссии и с приЗлизкением его к критическому значении, при котором происходит срыв генерации М.7) иумы электронного потока вблизи рабочей частоты и в относительно низкочастотной части спектра резко нарастает. С дальнейшим снижением эмиссионной способности катода возможен переход к режиму релаксационных колебаний с периодическим разрушением электронного потока и новым запуском магнетрона. В натурном эксперименте при увеличении эмиссии катода путем включения напряжения накала "излом" рабочих характеристик • создается в сторону бочышх токов, а иирина области неустойчивой работы сужается.

. На примерз несоосности вектора индукции магнитного поля и оси шгнетрона исследоЕаго влияние неоднородности магштгного поля в пространстве взаимодействия на структуру и динамические характеристики электронного потока. При наклоне вектора индукции происходит перераспределение объемной плотности пространственного заряда, и, соответственно, токов и мощностей бомбардировок анода и

катода, поскольку появляется снос электронов и распределена плотностей вдоль оси прибора становятся несимметричными. I электронном потоке возникают и нарастает продольны® колебания. Плотность спектра колебаний тока поперечного модельного зонде говорит о существенном увеличении шумов электронного потока прз наличии наклона магнитного поля почти во всем рассматриваемо;» частотном диапазоне.

Радиальная составляющая ■ собственного квазистатическогс магнитного поля электронного потока имеет максимумы вблизи концевых катодных экранов в местах наиб злыпей плотносп: ггространственюго заряда и оказывает расфокусирующее действие не электронный поток, чему препятствует краевые ачектростатаческиг поля. В результате продольные колебания атектронов вблизи торцон усиливаются. Увеличение шумов составляет 10...20 дБ в широта? полосе частот.

Одним из механизмов связи радшлышх и азимутальных колебаний пространственного заряда с продольными колебаниями является связь через радиальную составляищш. собственного магнитного поля электронного потока.

Б заключении сформулированы основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, и обсуэдаются перспектив!; дальнейших исследований.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Аникин A.B., Шадрин A.A. Метод моделирования mhoi'¿волновых процессов взаимодействия в .етектрэнных приборах М-типа // Одектромаггатгная совместимость радиоэлектронных средств. Тез. докл. Всеоокв. тучно-тет«есхогэ симпозиума. - М.: Радио и связь, 1386. - С. 85-66.

2. Аникин A.B., Бузик Л.М., Шадрин A.A. Гибридная, модель магнетрона миллиметрового диапазона // Тез. докл. второгс межведомств. науч. семинара. - Харьков: ЙРЭ АН УССР, 1967. -С. 23-24.

3. Отчет по результатам оперативного анализа причин агказоЕ блока М-2М апгиратуры ЗУ-80 и комгкектупцего его юдзлкя ДП-136 и проверки полноты выполнения рекомендаций заключения

в/ч 679-47 от 1984 года / А.А.Борисов, А.М.Петров, А.В.Аникга п др. / Руководитель работ» А.А.Борисов. - М.: в/ч 67947,

1987. - 56 с.

АншшнА.В., Шадрин А.Л. Численная. динамическая модель макрочастиц генератора М-типа / Сим&ероп. ун-т. Оафгропоть, 193S. - 33 с. - Дел. в УкрЯИШШИ 25.10.83 №,726-Ук83.

Аникин A.B. Исследование погрешностей численных методов и оптимизация параметров дискретизации моделей макрочастиц электронных приборов СВЧ / Скм&ероп. ун-т. - Симферополь,

1988. - 15 с. - Деп. в УкрНШНТИ 12.09.88 Н2320-Ук88. Аникин A.B., Иадрин A.A. деленное исследование амгшлудно-частотных искажений в импульсных приборах М-типа // Искажения и коррекция сигналов в электронных приборах СВЧ. Межвузовский науч. сборник. - Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1988. - С. 29-30.

Аникин A.B., Иадрин A.A. Численное исследование динамики взаимодействия в скрещенных полях на улучшенной модели макрочастиц // Электронное приборостроение. Тез. докл. Всссоюз. научно-технической конференции. - Новосибирск: НЭТИ, 1988. - С. 23.

Аникин A.B., Воротынцева И.IL Численное моделирование для исследования и САПР 3BÏÏ СВЧ // Стабилизация частоты. Тез. докл. пестой Всесот. школы-совещания молодых ученых и специалистов. - М.: ВИМИ, 1939. - 4.2. - С. 63-65. Анализ спектрального состава фяиккер-шут в быходном сигнале ЛБЮ / Б.Н.Бовдаренко, И.И.Воротынцева, А.М.Петров, А.В.Аникин // Метода представления и обработки случайных сигналов и полей. Тез. докл. Всессюз. научно-технической конференции. - Харьков: 5ШРЭ, 1989. - С. 117. Аникин A.B., Бондаренко Б.Н., Воротынцева И.И. Анализ шумовых характеристик ЛБВО как источника сигнала при СВЧ зондировании // Проблеет комплексной автоматизации гидрофизических • исследований. Тез. докл. Респ. науч. конференции. Севастополь: МИ АН УССР. 1989. - С. 192-193. Аникин A.B., Борисов A.A. Результаты численного моделирования физических процессов в шгнетронз при неодородной структуре

фокусирующего магнитного поля // Труда СМУ и С в/ч 67947. Материалы 18 конференции. - М.: в/ч 67947, 1989. - С. 43-46.

12. Шеин А.Г., Аникин A.B. Численное моделирование генераторных приборов М-типа // Автоматизация • проектирования в электронике. - Киев: Вища школа, 1990. - Вып.41. - С.66-79.

13. Аникин A.B., Борисов A.A. Влияние неодаэродностей 'магнитного поля на шумы трехмерного электронного штока в магнетроне // Актуальные проблемы электронного приборостроения. Тез. докл. Всесошз. научно-технической конференции. - Новосибирск: НЭТИ, 1990. - С. 47.