Компромиссные решения многофакторных задач повышения эффективности взаимодействия электромагнитных волн с электронными пучками и диссипативными диэлектрическими средами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ
|
Явчуновский, Виктор Яковлевич
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Саратов
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2000
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
Саратовский государственный университет пменп Н.Г.Черпышевского
На правах рукописи
Для служебного пользования Экз. № 25
ЯВЧУНОВСКИЙ Виктор Яковлевич
КОМПРОМИССНЫЕ РЕШЕНИЯ МНОГОФАКТОРНЫХ ЗАДАЧ
ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ И ДИССИПАТИВНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СРЕДАМИ
¿7 мг
Специальность 01.04.03 - радиофизика / //¡1Ху
V-
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук
Саратов - 2000
шритовсхка гос ст
Исходящий .'о
Работа выполнена в НПО "Алмаз-', Корпорации "Диполь", СНПФ "Агроприбор'^ Саратовском государственном университете
Научные консультанты:
член-корреспондент РАН, профессор Трубецков Д.И., доктор физико - математических наук, профессор Усанов Д.А.
Официальные-оппоненты:.
доктор физико - математических наук, профессор Байбурин В.Б. доктор физико г математических наук, профессор Салий И.Н. доктор физикр - математических наук, профессор Солнцев В.А.
Ведущая организация: Саратовское Отделение Института Радиотехники и Электроники РАН
Защита состоится 15.09.2000 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного Совета Д.063.74.01 в Саратовском государственном университете (410026, г.Саратов, ул.Астраханская, 83)
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ '
1 I
£ V
Автореферат разослан " ¿э " 2000 г.
Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат физико - математических наук, доцент
Аникин ВМ
I Яв{. №5- 01г.. О
Общая характеристика работы
Радиофизика, родившаяся на границе XIX и XX веков как наука о распространении и приеме радиоволн, превратилась ко второй половине XX века в обширную отрасль, включающую все новые и новые научные и технические направления. Многие из них возникли на стыке радиофизики и электроники (впоследствии - электроники сверхвысоких частот), причем каждое образовавшееся в рамках радиофизики направление — связь, радиолокация, радионавигация, радиоэлектронное противодействие и множество других — давало ощутимый толчок развитию, определяло новую систему требований к входящим в состав соответствующей аппаратуры электронным приборам. И, наоборот, развитое элементной базы, создание все более мощных, более широкополосных, все более коротковолновых, удовлетворяющих широкому спектру специальных требований электронных приборов (в первую очередь - электровакуумных приборов СВЧ диапазона) открывало новые горизонты для появления новых и совершенствования существующих типов радиофизической аппаратуры.
Общий прогресс в этой области невозможен без создания соответствующего инструментария исследовательских работ (направленных на изучение возможностей и непосредственное улучшение параметров электронных приборов и аппаратуры СВЧ): многочисленных методов теоретического анализа и экспериментального исследования протекающих в этих объектах физических процессов. Среди них большое место занимают методы исследований, направленных на повышение эффективности взаимодействия электромагнитных волн с электронными пучками и другими средами. Наряду с методологией фундаментальных исследований, непрерывно развивающейся с момента появления радиофизики как самостоятельной отрасли науки и до настоящих дней, постоянно совершенствовались и методы теоретического анализа, экспериментальных исследований, направленных на повышение КПД, расширение полосы рабочих частот, увеличение устойчивости, продвижение в коротковолновые области частотного диапазона электронных приборов и радиофизической аппаратуры.
Решению перечисленных проблем посвящено огромное количество работ ученых всего мира. Однако прогресс науки и техники ставит перед исследователями все более сложные задачи, для решения которых необходимы как поиск и исследования новых, так и более глубокое изучение уже известных физических процессов. Развитию теории, созданию экспериментальных методов исследований и непосредственно: исследованиям, направленным на повышение эффектив-■ з .
ности электронно-волнового взаимодействия и взаимодействия электромагнитных волн СВЧ с диссипативными диэлектрическими средами, а также использованию полученных результатов при создании электронных приборов СВЧ и радиоэлектронной аппаратуры различного назначения посвящена настоящая диссертация. В процессе работы над ней был выполнен ряд исследований, направленных на создание теоретических основ и непосредственное практическое воплощение нового класса приборов - мощных широкополосных развязывающих устройств на нелинейном эффекте Компфнера [1-6], широко используемых впоследствии для обеспечения устойчивой работы мощных широкополосных усилительных цепочек ЛЕВ (см., например, [7]) и аппаратуры, для которой они разрабатывались. Логическим продолжением этих исследований явились работы, направленные на развитие методов анализа устойчивости сложных усилительных схем, комплекса приёмов и методов её обеспечения [7-13], а также ряд работ, направленных на улучшение энергетических и частотных характеристик ЛБВ усилителей и усилительных цепочек ЛЕВ [14-17]. Большой цикл теоретических и экспериментальных исследований был выполнен автором в 80-е годы в обеспечение развития и становления в России нового приборного направления: ЛБВ миллиметрового диапазона [18-29]. И, наконец, в 90-е годы автором был выполнен большой цикл работ по созданию теоретических основ и непосредственному аппаратурному воплощению радиоэлектронного технологического оборудования - мощных промышленных комплексов микроволновой и комбинированной сушки различных диэлектрических материалов (от пищевых продуктов до древесины) [30-47].
Все эти работы органически объединены единым стержнем, единым подходом к возникающим при создании электронных приборов и радиоэлектронной аппаратуры проблемам - разработанной автором и составляющей основу настоящей диссертационной работы методологией поиска компромиссных решений многофакторных задач повышения эффективности взаимодействия электромагнитных волн с электронными пучками и диссипативными диэлектрическими средами [7,46]. Комплекс этих, объединенных общим подходом к их решению, задач представляет собой крупную научную проблему, имеющую важное значение как для развития радиофизики, так и для создания новейшей элементной базы - современных электровакуумных приборов СВЧ, в результате решения которой были созданы новые математические модели для анализа процессов взаимодействия электромагнитных волн с электронными пучками в электровакуум-
ных усилителях различных частотных диапазонов, математические модели для исследования различных проявлений неустойчивости усилителей и усилительных схем, для изучения возможности снижения анизотропии диссипации энергии при микроволновом воздействии на диэлектрические материалы. Одновременно был разработан набор экспериментальных методик, позволивших выявить и проанализировать ряд новых физических эффектов: новый механизм воздействия встречной волны (на взаимодействие с электронным пучком попутной ему волны), возбуждение субгармоник усиливаемого сигнала, нелинейные свойства эффекта Компфнера, зависимость устойчивости усилителей от соотношения их амплитудных характеристик и электродинамических характеристик их замедляющих систем (ЗС), новые способы уменьшения анизотропии диссипации энергии при микроволновом обезвоживании диэлектрических объектов. С использованием полученных результатов были созданы новые типы приборов (параметрический ряд электронных развязывающих устройств на нелинейных свойствах эффекта Компфнера), ряд электровакуумных усилителей и усилительных схем в различных частотных диапазонах, в том числе и в миллиметровом, разработано принципиально новое высокоэффективное оборудование микроволновой и комбинированной сушки, по своим технико-экономическим параметрам существенно превосходящее известные отечественные и зарубежные аналоги.
Идеология такого подхода возникла непосредственно из практики создания многочисленных разрабатываемых автором изделий электронной техники (ИЭТ), разработки математических и экспериментальных подходов к улучшению их характеристик и развивалась с каждым выпускаемым им в серию электровакуумным прибором или аппаратурным комплексом. Генезис появления упомянутой выше методологии поиска компромиссных решений достаточно понятен. Каждый раз, когда начинается работа над проектом нового электронного прибора или аппаратуры СВЧ диапазона с существенно более совершенной (по сравнению с предыдущими) системой параметров, совершенно неэффективными оказываются попытки создать новое изделие путем использования совокупности наработанных ранее конструкторских и технологических решений, имеющихся в арсенале у разработчиков. Это связано с тем, что трудно изменить или улучшить один из параметров или узлов изделия, а остальные оставить прежними.
При создании электронных приборов и аппаратуры СВЧ с предельно достижимыми системами параметров, проведении разработки на уровне, который американские разработчики и исследователи обозначают удачным термином "гХ
5
the state of art" (на уровне искусства), приходится, как правило, решать целый комплекс сложных, внутренне противоречивых задач, искать разрешения бесчисленных внутренних технических противоречий. Наиболее полно это проявляется при решети задач, названных автором "компромиссными", целью которых является не получение какого-либо одного "рекордного" параметра в ущерб всем остальным, а, наоборот, реализация наиболее удачного сочетания двух или более параметров. Решение таких задач требует специальных теоретических и экспериментальных подходов, совокупность которых может быть, видимо, сведена к некоей технологии (или методологии) поиска компромиссных решений многофакторных задач.
За более чем четверть века работы в качестве разработчика, главного конструктора электровакуумных приборов и аппаратуры СВЧ автору приходилось множество раз решать подобные задачи, причем на первых порах каждая из них представлялась своеобычной, непохожей на другие задачи такого типа. Действительно, в каждой из них задавалась своя, отличная от других, система параметров, в каждой из них возникали свои технические противоречия, не разрешаемые существующими стандартными приемами. Однако по мере накопления таких задач и их решений, в процессе их систематизации, начинали проявляться общие черты, достаточно близкие между собой математические модели, теоретические и экспериментальные методики решения этих задач; все четче проявлялись общие подходы к поиску компромиссных решений [7,46].
Так родилась общая схема, единая методология поиска компромиссных решений, с помощью и на базе которой определялись подходы к решению ещё более сложных многофакторных задач, возникающих при создании сложных многофункциональных радиотехнических комплексов. Это определило и принятые в диссертационной работе логику и структуру изложения материала: в первой части (главы 1-7) на базе задач, решаемых при теоретическом анализе и экспериментальных исследованиях параметров ЭВП СВЧ, решении задач их согласования с внешней нагрузкой поэтапно создаётся общая схема поиска компромиссных решений; во второй части (главы 8,9) на основе этой схемы разрабатываются методы (и математические модели) расчёта и выбора оптимальных параметров сложных радиоэлектронных устройств — технологических комплексов микроволновой и комбинированной (конвекционно-микроволновой) сушки.
Актуальность работы определяется тем, что необходимость проведения исследований возникала при решении проблем, связанных с разработкой новей-
ших электровакуумных приборов и радиоэлектронной аппаратуры СВЧ со сложными, труднодостижимыми системами параметров, и подтверждается использованием результатов этих исследований при их создании, о чем имеются соответствующие акты о внедрении.
Целью диссертации является создание единой методологии поиска компромиссных решений сложных многофакторных задач, связанных с повышением эффективности взаимодействия электромагнитных волн СВЧ с электронными пучками и диссипативными диэлектрическими средами, включающей широкий набор методов теоретического анализа, экспериментальных методов исследования волновых процессов и применение ее к созданию электронных приборов и многофункциональных радиотехнических комплексов.
В задачи исследований входит:
1. Создание теоретических методов анализа эффективности электронно-волнового взаимодействия и взаимодействия электромагнитных волн с диэлектриком при наличии диссипации энергии, изучение на этой основе специфики взаимодействия в коротковолновых электровакуумных приборах СВЧ, а также взаимодействия электромагнитного излучения с диссипативными диэлектрическими объектами и совместного действия на эти объекты микроволнового излучения и тепловых конвекционных потоков.
2. Разработка экспериментальных методов исследования процессов, протекающих в электровакуумных приборах при усилении и подавлении высокочастотных электромагнитных сигналов и при взаимодействии микроволнового излучения с диэлектрическими объектами различной природы в условиях повышенной диссипации энергии, интерпретация их результатов на основе созданных теоретических методов, а также исследование возможности применения полученных результатов для улучшения параметров существующих и разработки новых перспективных электронных приборов и аппаратуры СВЧ.
Научная новизна
1. Впервые установлено увеличение эффективности взаимодействия в коротковолновых спиральных ЛБВ при росте диэлектрической нагрузки ее замедляющей системы (ЗС). Показано, что этот эффект обусловлен сильным влиянием в миллиметровом диапазоне даже относительно небольшого изменения величины распределенных потерь на результаты взаимодействия. Увеличение геометрических размеров и массы опорных стержней спиральной ЗС (и, соответственно, вносимой ими диэлектрической нагрузки) позволяет получить повышение
7
КПД взаимодействия, несмотря на уменьшение величины сопротивления связи системы (обусловленное, в свою очередь, увеличением диэлектрической нагрузки ЗС). Аналогично, для ЛБВ с ЗС типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР) показано, что наибольшая эффективность взаимодействия реализуется при фазовых сдвигах на ячейку ЗС, соответствующих не максимально достижимой (с учетом всех значимых факторов) величине сопротивления связи, а наилучшему сочетанию величин сопротивления связи и распределенных ВЧ потерь.
2. Предложена математическая модель и проведено теоретическое исследование электронно-волнового взаимодействия в коротковолновых спиральных ЛБВ с переменным декрементом затухания в выходной секции ЗС на нулевой и минус первой пространственных гармониках поля. По результатам этого исследования установлен закон распределения затухания, обеспечивающий высокие энергетические характеристики коротковолновых ЛБВ при взаимодействии с основным усиливаемым сигналом и требуемые запасы по устойчивости к возбуждению на обратной пространственной гармонике.
3. Разработан (с использованием аппарата регрессионного анализа) математический подход к исследованию устойчивости работы сложных усилительных схем с активными и пассивными элементами, основывающийся на вводимом автором понятии "базового звена усилительной схемы" и на представлении схем любого уровня сложности в виде совокупности "базовых звеньев". Каждое такое звено состоит из набора стандартных пассивных и активных элементов, характеризующихся набором коэффициентов передачи (усиления или поглощения) и отражения, для которых затем записываются амплитудные условия генерации. Показано, что при таком подходе к широкополосным усилительным схемам достаточно анализировать только амплитудные условия генерации; фазовые условия, безусловно, будут выполняться, по крайней мере, в какой-либо одной из точек рассматриваемого диапазона частот.
4. С помощью предложенного подхода к анализу устойчивости проведена классификация различных возможных проявлений неустойчивости сложных усилительных схем, наиболее типичными из которых являются самовозбуждение в отсутствие входного сигнала, возбуждение паразитных колебаний в режиме усиления полезного сигнала, возбуждение на высших гармониках полезного сигнала, и т.п. С использованием этого подхода объяснен физический механизм впервые обнаруженного автором эффекта самовозбуждения (в динамическом режиме работы) широкополосных усилительных схем на субгармонике полезно-
го сигнала с одновременным снижением эффективности взаимодействия с электронным пучком основного усиливаемогр сигаала.
5. Впервые обнаружена и исследована теоретически и экспериментально принципиальная возможность реализации эффекта подавления мощных СВЧ сигналов при их взаимодействии с электронными пучками в полосе частот до двух октав (без подстройки напряжения).
6. Впервые обнаружен и исследован с использованием созданных автором математических моделей и разработанных экспериментальных методов эффект непосредственного влияния сформированной вне ЛБВ (усилителей и подавителей) мощной встречной волны на взаимодействие электронных пучков с попутными сигналами. Показано, что основной причиной возникновения этого эффекта являются кумулятивные свойства дополнительной группировки пучка непосредственно встречной волной. Определены режимы и условия взаимодействия, в которых влияние встречной волны минимально.
7. Предложен и обоснован теоретически принципиально новый вероятностный подход к комплектованию ЛБВ для систем с фазированными антенными решетками (ФАР), допускающий определяемое (по созданной автором на базе комбинаторного исчисления математической модели) количество выбросов фа-зочастотных характеристик (ФЧХ) входящих в систему усилителей, значительно превышающих предельно допустимую (исходя из существовавших ранее подходов) величину. С использованием такого подхода принципиально осуществимой становится задача продвижения систем с ФАР в коротковолновые диапазоны длин волн, нерешаемая ранее из-за высокой изрезанности ФЧХ ЛБВ соответствующих частотных диапазонов, обусловленной причинами технологического характера
8. Разработана общая методология поиска компромиссных решений многофакторных задач, включающая разделение всех рассматриваемых в этих задачах параметров на три основные группы (исходные, функциональные и выходные), установление всех значимых взаимосвязей между ними и группирование связывающих их функций по наличию общих аргументов, определение сущности возникающих технических противоречий и формирование системы критериев, которым должно удовлетворять искомое компромиссное решение, а также арсенал теоретических и экспериментальных методов, непосредственно используемых в процессе поиска этих решений. Наиболее важными принципами, сформулированными в рекомендациях по реализации разработанной системы поиска, являются принцип снижения уровня существующих технических проти-
воречий и принцип локализации области поиска решений.
9. Созданы математические модели для анализа распределения интенсивности энерговыделения при взаимодействии сверхвысокочастотного электромагнитного поля с дискретно и непрерывно расположенными в электродинамической системе (ЭДС) диэлектрическими объектами. Определены варианты распределения диэлектрической нагрузки, при которой анизотропия энерговыделения вдоль оси распространения бегущей волны в образующих ЭДС желобковых волноводах (ЖВ) минимальна. Проанализированы и выбраны обеспечивающие минимальную анизотропию энерговыделения варианты инжекции микроволновой энергии в ЭДС. Построена математическая модель и проанализирована зависимость анизотропии энерговыделения вдоль оси движения диэлектрических объектов через ЭДС от закона этого движения. Проведено численное сравнение результатов расчета для вариантов однонаправленного односкоростного движения, реверсного движения с различными амплитудами качания и неподвижного положения объектов микроволнового облучения.
10. Создан комплекс математических моделей и программ расчета для анализа различных физических аспектов объединения в едином процессе физических механизмов конвекционной и микроволновой сушки. С использованием этих моделей проведены расчеты, направленные на минимизацию энергоемкости объединенного процесса и анизотропии влажности конечных продуктов обезвоживания. Определены значения границ диапазона переходных влажностей (вла-госодержаний, соответствующих переходу с одного механизма обезвоживания на другой), в котором наряду с минимизацией энергоемкости процесса сушки имеет место и взаимная компенсация анизотропии влажности по оси распространения бегущей волны ЖВ.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
1. Найдено и защищено авторским свидетельством оригинальное решение внешней тепловой задачи для коротковолновых ЛБВ с сопровождением электронного пучка полем магнитной периодической фокусирующей системы (МПФС). Это решение базируется на поиске конфигурации системы жидкостного охлаждения и МПФС, при которой достигается предельное улучшение условий теплоотвода от ЗС, соответствующее облегчение ее теплового режима, снижение распределенных ВЧ-потерь при приемлемых значениях величины фокусирующего магнитного поля.
2. Выведены математические выражения, в которых КПД усилительной
цепочки с прозрачной ЛБВ в качестве выходного каскада в явном виде зависит от коэффициента усиления этого каскада, что позволяет в каждом конкретном случае осуществлять поиск компромиссного решения из условия экстремума полученной зависимости.
3. Предложено и разработано эффективное средство повышения устойчивости коротковолновых усилительных схем с волноводными элементами, характеризующимися резким увеличением отражений в области их длинноволновой отсечки - использование селективного (частотно-зависимого) поглотителя, частотные свойства которого определяются выбором конфигурации поглощающего слоя, наносимого на опорные диэлектрические стержни спиральной ЗС с учетом структуры распределенного в этой области высокочастотного электромагнитного поля на каждой из рассматриваемых частот. Созданная на основе этого решения конструкция защищена авторским свидетельством.
4. Предложено широкополосное развязывающее устройство, механизм подавления мощных отраженных сигналов в котором обусловлен впервые исследованными автором нелинейными свойствами эффекта Компфнера, проявляющимися при уровнях мощности попутного электронному пучку сигнала, сравнимых с уровнем мощности самого электронного пучка. Исследования, проведенные с использованием созданных автором математических моделей и разработанных экспериментальных методик, позволили выбрать режимы наиболее эффективного электронно-волнового взаимодействия и создать параметрический ряд невзаимных электронных развязывающих устройств с минимальным подавлением мощных сигналов на уровне не ниже 15 дБ в полосах рабочих частот шириною до двух октав, а также показать принципиальную возможность создания таких устройств с несколько сниженным (примерно до 8 дБ) уровнем подавления на отработанных электронных пучках усилителей, для улучшения согласования которых с внешними ВЧ-нагрузками они служат. Различные варианты конструкции таких устройств защищены двумя авторскими свидетельствами.
5. Установлена связь устойчивости широкополосных ЛБВ-усилителей с электродинамическими характеристиками их ЗС. Предложен, реализован и защищен авторским свидетельством способ обеспечения устойчивости усилителей и усилительных схем, основанный на сочетании аномальных амплитудных характеристик усилителей и дисперсионных характеристик их ЗС.
6. Проведено математическое обоснование выбора геометрических размеров желобковых волноводов (ЖВ) для электродинамической системы (ЭДС) ус-
11
тановки микроволновой сушки, обеспечившее минимизацию уровня излучения через их открытые стенки, что, в свою очередь, позволило впервые создать сверхразмерную одномодовую систему с низкоинтенсивным, однородно распределенным по объему ЭДС электромагнитным полем, состоящую из совокупности ЖВ, соединенных в плоскостях, параллельных осям распространения в них бегущей электромагнитной волны, и пригодную для пропускания масштабных потоков подвергаемых обезвоживанию диэлектрических объектов. Варианты такой конструкции защищены двумя патентами на изобретения.
7. Разработана методика эксперимента по определению влияния на анизотропию энерговыделения естественных выравнивающих факторов (тепло- и мас-сообмена и селективного характера выделения микроволновой энергии). Показано, что даже при минимальном влагосодержании облучаемых диэлектрических объектов неравномерность энерговыделения снижается за счет действия выравнивающих факторов, по крайней мере, вдвое по сравнению- с расчетом, проведенным без учета выравнивающих факторов.
8. Впервые созданы конвейерные технологические комплексы микроволновой и комбинированной сушки, обеспечивающие высокую производительность, малую энергоемкость процесса, высокое качество высушенной продукции и технологичность операции сушки. Конструкции различных вариантов таких комплексов защищены тремя патентами на изобретения и свидетельством на полезную модель.
Всего по материалам диссертации зарегистрировано 18 изобретений (15 авторских свидетельств и 3 патента).
Указанные результаты были получены в ходе выполнения под руководством автора в НПО "Алмаз", Корпорации "Диполь" и СНПФ "Агроприбор" более 30 НИР и ОКР. Большинство исследований в части создания электровакуумных приборов СВЧ и согласования их с радиоэлектронной аппаратурой выполнялось в соответствии с Планами важнейших работ (НИР и ОКР) Министерства электронной промышленности, Госкомитета по оборонным отраслям промышленности, а исследования, направленные на разработку аппаратуры микроволновой и комбинированной сушки, по заказам Главного управления науки Министерства сельского хозяйства и продовольствия РФ.
Основные результаты работы были использованы или внедрены
а) в разработки параметрического ряда электронных невзаимных развязывающих устройств в НПО "Алмаз";
б) в разработки ЛБВ-усилителей и усилительных схем различных частотных диапазонов (НПО "Алмаз");
в) в разработку параметрического ряда радиотехнических комплексов микроволновой сушки (Корпорация "Диполь", СНПФ "Агроприбор");
г) в разработку радиотехнических комплексов комбинированной (конвек-ционно-микроволновой) сушки в Корпорации "Диполь" и СНПФ "Агроприбор".
Материалы, полученные в диссертации, использованы также в разработанном и читаемом автором курсе лекций в Саратовском а1роинженерном университете.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается тем, что методы и программы расчета многократно проверены сравнением с экспериментальными данными, а экспериментальные результаты имеют достаточно полную теоретическую интерпретацию. Кроме того, достоверность полученных результатов подтверждается многочисленными актами приемки НИР и ОКР, в ходе которых были получены основные результаты диссертации.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Максимальный КПД электронно-волнового ваимодействия в ЛБВ коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн достигается при выборе собственных параметров их ЗС (спиральных и ЦСР), обеспечивающем компромиссное соотношение величин сопротивления связи и распределенных ВЧ-потерь в ЗС в динамическом режиме работы ЛБВ (и соответствующем ему температурном режиме ее ЗС). Практически все зависимости КПД электронно-волнового взаимодействия в коротковолновых ЛБВ от варьируемых параметров их электродинамических структур (диэлектрической нагрузки спиральных ЗС, фазового сдвига на ячейку ЦСР) имеют ярко выраженный экстремум (максимум).
2. Эффективным средством подавления минус первой пространственной гармоники в коротковолновых спиральных ЛБВ, не приводящим к снижению эффективности электронно-волнового взаимодействия в них на основном усиливаемом сигнале (на нулевой пространственной гармонике), является введение в их выходную секцию ступенчато снижающихся по длине ЗС в сторону вывода энергии ЛБВ распределенных ВЧ потерь, например, за счёт нанесения на выходной участок спирали высокоэлектропроводящих покрытий (меди, серебра, золота) с толщиною, превышающей толщину скин-слоя.
3. Значительное повышение устойчивости работы коротковолновых усилителей и усилительных схем с волноводными элементами, не приводящее к снижению эффективности электронно-волнового взаимодействия в них на ос-
новном сигнале, может быть реализовано за счёт введения в них селективного ВЧ-поглотителя с возрастающими в длинноволновой области рабочего диапазона частот ВЧ-потерями, частотнозависимые свойства которого обусловлены выбором его конфигурации, учитывающим структуру высокочастотного электромагнитного поля в области расположения поглотителя.
4. Эффективным средством обеспечения устойчивости работы мощных широкополосных усилительных схем (не ограничивающим их полосовые характеристики и достижимый уровень мощности) является введение между усилительными каскадами электронных невзаимных развязывающих устройств, эффективность подавления в которых отражённых сигналов (при прохождении через них прямых сигналов с минимальными (только "холодными") потерями), обеспечивается нелинейными свойствами эффекта Компфнера. Наилучшие полосовые свойства электронных развязывающих устройств реализуются при использовании в них ЗС с 4-6%-ной нормальной дисперсией, которая обеспечивает одновременно и наилучшие фазокомпенсационные свойства, необходимые для создания близкого к оптимальному сдвига фаз между временными гармониками, и, соответственно, эффективное бигармоническое взаимодействие в выходном усилителе схемы.
5. При расчёте и оптимизации ЛБВ-усилителей и невзаимных развязывающих устройств на ЛБВ необходимо учитывать влияние на эффективность взаимодействия в них (электронного пучка с попутной ему волной) отражённой от внешней нагрузки встречной волны, обусловленное дополнительной модуляцией ею электронного пучка. Для корректного анализа влияния встречной волны необходимо учитывать кумулятивный характер осуществляемого ею (всеми имеющими значимый уровень в спектре отраженного сигнала временными гармониками) дополнительного воздействия на высокочастотную группировку электронного пучка.
6. При работе широкополосных усилителей и усилительных схем на неидеально согласованную нагрузку в них могут самовозбуждаться субгармоники (в первую очередь, сигнал половинной частоты) основного усиливаемого сигнала, что сопровождается снижением эффективности взаимодействия на основном сишале. Физический механизм этого явления связан с ростом линейного коэффициента усиления на субгармонике (вплоть до выполнения для неё амплитудных условий генерации) при усилении сигнала основной частоты в условиях свойственного широкополосным усилителям бигармонического взаимодействия.
7. Использование совокупности желобковых волноводов (ЖВ) с основным типом колебаний Нц (соединенных по плоскостям, параллельным осям распространения бегущей волны и перпендикулярных оси перемещения подвергаемых микроволновому облучению диэлектрических объектов) в качестве электродинамической системы (ЭДС, рабочей камеры) радиотехнических комплексов микроволновой сушки позволяет существенно снизить анизотропию распределения высокочастотного поля в рабочей области, увеличить максимальный поток проходящих через ЭДС и подвергаемых облучению диэлектрических объектов и минимизировать паразитное излучение из рабочей камеры по сравнению со всеми известными типами ЭДС аналогичных комплексов (например, на базе прямоугольных волноводов с основным типом колебаний Ню). Использование математической модели, созданной на основе метода коллокадии, позволяет определить размеры ЖВ для такой системы, обеспечивающие требуемое распределение интенсивности поля и минимизацию паразитного излучения из рабочей камеры.
8. Наибольшее влияние на анизотропию обезвоживания и параметры качества подвергаемых микроволновой сушке диэлектрических объектов оказывает анизотропия диссипации излучаемой в них микроволновой энергии, которая, в свою очередь, зависит от анизотропии распределения интенсивности высокочастотного поля и закона движения в поле диэлектрических объектов. Минимальная анизотропия диссипации энергии имеет место при однонаправленном односко-ростном движении диэлектрических объектов через ЭДС либо при реверсном движении с постоянной по абсолютной величине скоростью и с амплитудой качания, кратной периоду ЭДС (размеру электродинамической секции, состоящей из одного ЖВ, по оси движения объектов облучения).
9. Минимальная энергоёмкость процесса обезвоживания диэлектрических объектов достигается при последовательном использовании двух различных физических механизмов сушки: конвекционного и микроволнового, причём общее энергопотребление процесса зависит от выбора точки переходного влагосодер-жания (на границе объединения двух механизмов обезвоживания).
10. Пространственная анизотропия диссипации энергии в подвергаемых обезвоживанию диэлектрических объектах (и, соответственно, анизотропия их влажности) может быть минимизирована при последовательном объединении конвекционного и микроволнового механизмов обезвоживания в рамках единого процесса. Степень минимизации анизотропии зависит от выбора величины переходного влагосодержания.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и получили одобрение на объединённом семинаре кафедр электроники и волновых процессов, радиофизики, физики твердого тела СГУ, а также на международных конференциях по микроволновым технологиям в народном хозяйстве, г.Казань, 1995 г.; посвященным научно-техническому прогрессу в агропромышленном комплексе (АПК), г. Минск, 1996 и 1997 гг.; по проблемам автоматизации в АПК, г.Углич, 1995 и 1997 гг.; по спектроскопии и физике молекул, г. Саратов, 1997 г.; на 6-й и 8-й школах-семинарах по электронике СВЧ (г. Саратов, 1983 и 1989 гг.), а также на многочисленных межотраслевых, отраслевых и межвузовских научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах.
Публикации. Из общего списка научных работ автора в количестве 129 наименований по теме диссертации опубликовано 113 работ, в том числе 2 монографии (соответственно по материалам 1-й 2-й частей диссертационной работы) и 2 монографических обзора. На технические решения, изложенные в диссертации, получены 15 авторских свидетельств и 3 патента на изобретения. Работы по 1-й части диссертации, материалы которых обобщены в монографии [7], в библиографию диссертации не включены.
Личный вклад соискателя. Работы [19,46,47,48], в том числе одна монография [46], выполнены без соавторов. В обобщающей материалы первой части диссертационной работы монографии [7] автором написано 10 глав (1,2,9-16) из 16. В 33 работах [1-10, 13, 14,16, 17, 20, 23,25-27, 31-35, 37-45], выполненных в соавторстве, личное участие автора состояло в постановке задач исследований, разработке и выборе методов их решения, анализе полученных теоретических и экспериментальных результатов. В остальных 11 публикациях [11, 12, 15,18,21, 22,24, 28-30, 36] вклад соискателя равен вкладу остальных авторов. Все работы, материалы которых использованы в диссертации, выполнялись под руководством и при личном участии автора.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав (объединенных в две части), заключения и списка литературы.
Во введении обоснована актуальность работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулирована цель диссертации, изложено краткое содержание и представлены научные положения, выносимые на защиту, приводятся сведения об апробации и личном вкладе соискателя. Здесь же обосновывается выбранная структура работы.
В соответствии со сформулированными целью работы и задачами исследования в главах 1-5 первой части диссертационной работы рассматриваются задачи, относящиеся к одному из наиболее широко известных приборов СВЧ-электроники - лампе бегущей волны (ЛБВ). Рассмотрение проводится на базе решенных автором в различные годы задач, относящихся к ЛБВ коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов, а также к ЛБВ и усилительным цепочкам ЛБВ близкого к предельно достижимому уровню мощности в сантиметровом и дециметровом диапазонах.
В первой главе на примере рассмотрения динамики развития системы параметров ЛБВ, методов их теоретического и экспериментального исследования вырабатывается общее представление о сущности многофакторных задач и методах поиска их компромиссных решений [7]. Проводится первичная классификация и систематизация этих задач, вырабатываются системы критериев для оценки эффективности их решения; предложены общие подходы к поиску компромиссных решений (рис.1), развиваемые затем на конкретных задачах, рассматриваемых в последующих главах.
Во второй главе приводится решение ряда задач компромиссного типа, связанных с выбором электродинамических характеристик замедляющих систем (ЗС) спирального и резонансного типа, позволяющих получить максимальную эффективность электронно-волнового взаимодействия в условиях повышенных ВЧ-потерь в ЗС коротковолновых ЛБВ [7,18,21,23].
Компромисс находится фактически в виде соотношения величин сопротивления связи и распределенных ВЧ-по-терь (связанных непосредственно с температурным режимом ЗС и обусловливающими его параметрами конструкции ЗС). Составной частью этих многофакторных задач являются два типа задач более частного
Рис.1
характера, решаемых при оптимизации по теплофизическим параметрам приборов О-типа- "внутренняя" и "внешняя" тепловые задачи.
Для поиска компромиссного решения вводится понятие "текущего параметра", экстремальное (минимальное) значение которого соответствует искомому компромиссу [7]. Поиск компромиссного решения, включающего решение внешней тепловой задачи [23], осуществляется также на базе созданных автором математических моделей, предназначенных для совместного расчёта теплофизи-ческих характеристик (пропускной способности каналов жидкостного охлаждения ЗС) и характеристик фокусирующего магнитного поля (и формирующей его магнитной системы). Для поиска границ области компромиссного решения здесь впервые вводятся понятия "критериальных" и "рабочих" функций, имеющих примерно такой же смысл, как функции цели и штрафные функции в оптимизационных задачах. И хотя номинально изложенное выше относится к ЛЕВ, предлагаемые подходы и решения носят достаточно общий характер и могут быть использованы в качестве научных, технических подходов к решению аналогичных задач применительно ко всему классу приборов СВЧ (в том числе и твердотельных), а также к приборам низкочастотной электроники.
Достаточно общими и по сути, и по методологии решения (применимой для всего класса электронных приборов: вакуумных и твердотельных, СВЧ-диапазона и относительно низких частот) являются представленные в третьей и четвёртой главах задачи, связанные с выходом на предельные уровни мощности и обеспечением (в основном, именно в этих режимах) устойчивой работы ЛБВ и усилительных цепочек ЛБВ. Первая из рассматриваемых в главе 3 задач связана с обеспечением устойчивости к самовозбуждению на обратной (минус первой) пространственной гармонике при одновременном повышении КПД взаимодействия на нулевой пространственной гармонике поля [7,25]. Задача решается по достаточно близкой к приведённой выше схеме: определяются два граничных значения длины выходного участка пространства взаимодействия ЛБВ со сниженным декрементом затухания (одно - из стартовых условий возбуждения обратной гармоники, другое - из соображений минимально допустимой эффективности взаимодействия на прямой пространственной гармонике), и между этими граничными значениями выбирается оптимальная длина этого участка Ь (рис.2).
В решаемой далее в этой главе задаче о связи распределения коэффициента усиления по элементам усилительной цепочки с общей эффективностью ее работы [7] автору удалось (в достаточно корректном приближении) получить в
18
явном виде теоретическую зависимость КПД схемы от величины коэффициента усиления выходного каскада, экстремальное значение которого и является решением компромиссной задачи. В заключительной части
Я40ЛЬЯЫ1
ВЧ-иоглотнтаь
тш
вывд »ерш
главы приводится описание еще одной достаточно сложной компромиссной задачи 'КПД - полоса рабочих частот", решаемой для случая бигармонического
I
I
Рис.2
взаимодействия [15].
Четвертая глава целиком посвящена различным подходам к обеспечению устойчивости работы усилительных цепочек. На базе предложенной автором классификации и с помощью построенных математических моделей анализируются различные возможные проявления неустойчивости работы усилителей и усилительных схем [7,9], описаны конкретные научно-технические приемы, позволяющие существенно повысить их устойчивость [1-7,9,10,12,13]. Одним из наиболее значимых из них является способ, основанный на введении в схему усилительной цепочки изобретенного и разработанного автором невзаимного развязывающего устройства, подавление отраженных сигналов в котором строится на использовании нелинейных характеристик эффекта Компфнера. Расчет полосовых характеристик этих устройств проводился по математической модели, учитывающей бигармонический характер взаимодействия и его принципиальную нелинейность, основанной на совместном решении уравнений возбуждения и уравнений движения. Интегральные уравнения возбуждения для первой и второй гармоник поля записываются в виде:
Рк(0) = с
-.¡к/11к(1)а1
о
9
■е
где 0 = ре С х - безразмерная координата (ре<\у/у0);
Кк(1) = Ьк(ГН<Ц{), (2)
Ьк - параметр несинхронности для основной и удвоенной частот; с1* - параметр ВЧ-потерь:
, _ сск-г . к ~ 8,68-кв'
(3)
со - частота основного сигнала; у„ _ начальная скорость движения электронов; к=1,2 - индексы для первой и второй временных гармоник сигнала; С - параметр усиления Пирса; К0 - начальное сопротивление связи на основной частоте; Кк(0 - изменяющееся по длине неоднородного пространства взаимодействия текущее сопротивление связи; — безразмерная амплитуда ВЧ-сигнала; Яд.радиус электронного пучка; £ - текущая координата;
2 ^(гМ (4)
<рх - радиальная постоянная распространения; а - средний радиус спирали; 1о, II -модифицированные функции Бесселя нулевого и первого порядка первого рода.
Решаемые совместно с уравнениями возбуждения уравнения движения фаз "электронов" ("крупных частиц") записываются в виде
»-,3/2
д2Ф дв2
• ¥ ™ т
Ок' = 1 к *
-й у/сФ
(5)
где
тЗ/2
- релятивистский множитель (с - скорость света),
4 0 А2'
(6)
Шдя — плазменная частота электронного пучка, Гк' -коэффициент депрессии сил поля пространственного заряда:
к' - индексы, соответствующие номеру гармоники высокочастотного тока; М -общее число гармоник тока, учитываемых при вычислении поля пространствен-, ного заряда (обычно М = 10...20); Ко, К1 - модифицированные функции Бесселя нулевого и первого порядка второго рода (функции Макдональдса); Ре - постоянная распространения электронного пучка.
Сгруппированный ВЧ-ток записывается в виде интеграла, который
заменяется суммой по Ы-числу "крупных частиц":
1 2л- _ ,хт) 2 N-1 2 N-1
(8)
р=0 ^ « р=О
Проведенные расчеты показали (рис.3) принципиальную возможность эффективного подавления мощных сигналов в двухоктавной полосе рабочих частот.
Особого внимания заслуживают описанные в этой главе эф- в дБ фекты, впервые обнаруженные и исследованные автором (как теоретически, на основе специально созданных для этих целей приближенных и строгих моделей, так и экспериментально): возбуждение субгармоник усиливаемого сигнала [7]; эффект влияния встречной волны на взаимодействие в ЛБВ (уси- Рис.3 лителях и подавителях) за счет кумулятивных эффектов воздействия встречной волны на группировку электронов [8]; существенное влияние на устойчивость работы усилителя совместного действия аномальных амплитудной и дисперсионной характеристик [10], и ряд других.
Все это составляет единый комплекс научных и технических средств обеспечения устойчивости, которые совместно с разработанными схемами поиска позволяют находить компромиссные решения соответствующих многофакторных задач для усилительных схем любого уровня сложности.
В пятой главе диссертационной работы рассматриваются проблемы создания коротковолновых ЛБВ, в том числе широкополосных и сверхпшрокопо-лосных. Проблемам расширения полосы рабочих частот ЛБВ и устройств на их основе посвящено множество работ отечественных и зарубежных исследователей [7,15]. Спецификой материалов, представленных в настоящей работе, является их направленность на предельное улучшение полосовых характеристик именно коротковолновых приборов, характеризующихся малыми параметрами усиления Пирса, большими распределенными ВЧ-потерями, что существенно изменяет как собственно сущность рассматриваемых проблем, так и методологию поиска их решений. Теми же причинами обусловлено и своеобразие задач повышения КПД коротковолновых ламп. Рассмотрение проведено для ламп бе- '
слл
5.8
3.0
-1
Ко, о, ч, Ом дБ
14 20
4.2 6.|
J_I_1_
7.0
7.4
13
12
2 а,дБ/см
12
1.3
Рис.4
гущей волны с ЗС как спирального, так и резонансного типа, "причем последняя из рассмотренных в этой главе задач (поиск компромисса "сопротивление связи — распределенные ВЧ-потери") решается (в отличие от задач» рассмотренных во второй главе) на базе построенной строгой математической модели, описывающей электродинамическую часть задачи и учитывающей нелинейные эффекты, возникающие при взаимодействии электронного потока с высокочастотным полем резонансной ЗС [28]. ^ .г.
При решении этой задачи удалось Получить'! Зависимость электронного КПД от величины фазового сдвига на ячейку ЗС, имеющую ярко выраженный экстремум (максимум) и являющийся собственно искомым компромиссным решением (рис.4).
Шестая в седьмая главы, завершающие первую часть, являются логическим переходом от первой ко второй части диссертационной работы. В шестой главе рассматриваются специфические проблемы согласования ЭВП СВЧ (коротковолновых ЛБВ и магнетронных генераторов среднего уровня мощности) с внешней схемой. В частности, исследуются вопросы корреляции полосовых характеристик ЛБВ и усилительных цепочек на их основе с параметрами их питания, уровня входного сигнала, электродинамическими характеристиками самих усилителей [7,10]. В силу специфики решаемых в этом разделе заДач, заключающейся в многостороннем компромиссе при синтезе полоЬовых характеристик и обеспечении эффективности взаимодействия не ниже заданной во всех
точках частотных диапазонов усилителей, в этих задачах принципиальным становится получение высокой точности расчета взаимодействия на каждой рабочей частоте. В этой связи все расчеты в этом разделе, все создаваемые и используемые автором методы анализа строятся исключительно на строгих нелинейных моделях с учетом бигармонического характера взаимодействия.
В этой же главе представлен оригинальный, впервые предложенный автором, подход к комплектованию коротковолновых (в том числе "миллиметровых") усилителей для систем с фазированными антенными решетками, построенный на векторном представлении сигналов каждого из усилителей с последующим вероятностным подходом к их сложению. Показано, что при таком подходе отдельные выбросы ФЧХ выше допустимых (при традиционном подходе к комплектованию ЛЕВ для систем с ФАР) величин могут и не оказать сколь либо заметного влияния на эффективность сложения мощности в системе, что и отличает этот подход от всех используемых ранее и позволяет предложить приемлемое компромиссное решение для принципиально неразрешимой (на уровне прежних представлений) проблемы.
Здесь же проводится [35,39] анализ влияния внешней радиоэлектронной схемы источников СВЧ мощности на эксплуатационные характеристики входящих в них магаетронных генераторов, используемых в описываемых во второй части работы установках сверхвысокочастотной и комбинированной сушки [30,32,34]). Решаемые в этом разделе компромиссные задачи направлены на облегчение электрического и теплового режимов магнетронных генераторов и схем их питания; при этом используются преимущественно предложенные автором экспериментальные методы исследования [35]. Завершает первую часть диссертационной работы глава 7, в которой проводится окончательная классификация и систематизация рассмотренных в предыдущих главах многофакторных задач, определяются подходы к формулированию системы критериев для поиска компромиссных решений, вырабатывается в законченном виде методология их поиска.
На основе выработанного базового подхода во второй части диссертационной работы (главы 8 и 9) решается ряд сложных многофакторных задач, возникающих при анализе процессов взаимодействия электромагнитных волн СВЧ с диссипативными диэлектрическими средами, при создании радиоэлектронных комплексов микроволновой и комбинированной (конвекционно - микроволновой) сушки различных объектов [30-36]. Разработанная методология позволила, разрешить многочисленные внутренние противоречия, лежащие в основе созда-
ния этих комплексов, и создать радиоэлектронное оборудование, существенно превышающее по своим характеристикам имеющиеся отечественные и зарубежные аналоги.
В рассмотренных в этих главах многофакторных задачах построены логические цепочки компромиссных решений, включающие:
- определение корреляции параметров качества обрабатываемых объектов с характеристиками оборудования и техпроцесса сушки;
- аналитическое (на базе построенных автором математических моделей) определение зависимостей объемной анизотропии энерговыдеяения от электродинамических характеристик рабочих камер установок, а также от диэлектрических свойств подвергаемых микроволновому облучению диэлектрических объектов и закона их движения через рабочую камеру;
- проведенное по предложенной автором экспериментальной методике [46] определение роли и влияния на протекающие процессы естественных выравнивающих факторов (тепло- и массообмена, селективного характера выделения СВЧ-энергии);
- определение (на основе разработанных автором теоретических и экспериментальных методов анализа [46]) зависимости эффективности взаимодействия СВЧ-излучения с объектами сушки и качества получаемой продукции от собственных диэлектрических и геометрических параметров этих объектов;
- определение корреляции многочисленных параметров конвекционно-рециркуляционного и микроволнового комплексов (входящих в установки комбинированной сушки) и вытекающих из их соотношения параметров техпроцесса и конечного продукта, и т.д.
Особое место среди решенных автором задач занимает исследование, посвященное выбору параметров используемого в качестве базового элемента электродинамической системы желобкового волновода, сыгравшее решающую роль и предопределившее успех в создании радиотехнических комплексов микроволновой и комбинированной сушки.
Для нахождения распределения электромагнитного поля и критических чисел в ЖВ (рис.5) решалось уравнение Гельмгольца для области, представляющей собой (рис.6) симметричный относительно осей хиу квадрант поперечного сечения ЖВ:
; У#, + С2#2=0, (9)
причем, на границе уе[ОД32] задавалось граничное условие типа "магнитная стенка", а на всех остальных границах - типа "электрическая стенка", что позво-
ляло описать основной слабозатухающий тип волны:
Н,
= 0,
х=0
уе[0,В2]
дН
ду
дН
0,
у =ВХ ,хе[А 2 У =В 2 , *б[0, Л2]
3*
0 .
*= .^[О,.^ ]11 * = . В2]
(П)
(12)
Решение строилось методом частичных областей. На границе сопряжения областей вводилось граничное условие:
дН,
ду
(13)
Функция заменялась кусочно-постоянньш представлением g(x)-g¡, хеШ-1)А2/М],1=1,2-,М.
Решения в частичных областях записывалось с представлением компонент магнитного поля суммой ряда по гиперболическим функциям, после чего находился набор значений которые в точках коллокации, расположенных на границе сшивания частичных областей, обеспечивают равенство Нг компонент поля. Далее с использованием справедливого для линейных задач электродинамики принципа суперпозиции электромагнитных полей для всех точек коллокации записывалась система уравнений:
"г1(*/.У/) = Нг2<*/-,г/): / = 1'2..... М>
дН
дН
*/.У/)=-Э7^-(Х/.У/); /=1.2..... М
(14)
(15)
и с учетом представления решении для неизвестных Э в ввде М
1] 3 (1б) вычисления коэффициентов а^ записи дисперсионного уравнения и решения его относительно неизвестной величины в, находилась величина
= 2п (17)
С.
кр
•кр
где Я«р - критическая длина волны для основного типа колебаний в ЖВ. Далее,! положив дм=1, выражение (16) представлялось в виде:
Л/-1 (18)
и из решения методом Гаусса линейной системы алгебраических уравнений находились неизвестные а, 1=1,2,...,М, строилось распределение кусочно - постоянной функции §(х) = g¡ хе[(ь1)А2/(М-1), 1А2/(М-1)] (рис.7) и для вариантов реальных геометрических размеров ЖВ находилось распределение Н2=Н2(у) на границе х=А2 (рис.8) с последующим выбором варианта с минимальным излучением ВЧ-поля из ЖВ. .
Решение этой задачи - нахождение наиболее удовлетворяющих обширному комплексу требований размеров ЖВ - явилось основой, на которой строились все последующие теоретические и экспериментальные исследования, вплоть до создания радиотехнических комплелексов микроволновой и комбинированной сушки.
Следует отметить, что практически во всех предшествующих работах по микроволновой сушке рассматривались, как правило, отдельные задачи, связанные либо с анализом и расчетом отдельных узлов установок, либо с анализом фрагментов протекающих в них физических процессов. Насколько известно автору, комплексное исследование, аналогичное выполненному в настоящей работе, до настоящего времени не проводилось.
Полученные во второй части диссертационной работы результаты свидетельствуют о "пригодности" и "работоспособности" разработанных в первой 2Б
2 обл
0.5
!1 обл
-гггТГ
р/
Рис. 5
•А, А,
Рис.6
Рис.7
Рис. 8
части подходов и методологии поиска компромиссных решении сложных многофакторных задачпроектирования и разработки электронных приборов для создания аппаратуры СВЧ, даже такой сложной и многокомпонентной, как рассматриваемая в главах 8 и 9. Резюмируя изложенное выше, уместным представляется сделать вывод, что разработанная методология является закономерным логическим шагом в переходе от искусства разработчика (в том числе "на уровне высшего пилотажа") к стандартным технологиями создания приборов и аппаратуры с предельно достижимыми системами параметров.
Основные выводы и результаты диссертации Представленные результаты свидетельствуют о возможности применения единой методологии поиска компромиссных решений многофакторных задач, связанных с повышением эффективности электронно-волнового взаимодействия в различных частотных диапазонах (от 1 до 60 ГГц) и взаимодействия электромагнитного излучения с диссипативными диэлектрическими средами. Комплекс представленных в работе исследований и результатов, вносящий вклад в понимание описанных выше радиофизических процессов и в использование их для разработок широкого круга электронных приборов и радиотехнических устройств, можно классифицировать как крупное достижение в развитии радиофизики.
Резюмируя изложенное выше, можно сформулировать следующие основные результаты диссертационной работы:
1. Разработана и апробирована в конкретных теоретических и экспериментальных исследованиях в области радиофизики и электроники методология поиска компромиссных решений многофакторных задач, позволяющих реализовать наиболее удачное сочетание двух и более параметров процесса.
2. Решен ряд задач, принципиальных для повышения эффективности электронно-волнового взаимодействия в коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазонах длин волн, направленных на получение оптимального (соответствующего максимальному КПД) сочетания параметров для спиральных и резонансных волноведущих структур (в первую очередь, характеристик, влияющих на величины распределенных ВЧ потерь и сопротивления связи); в частности предложены и защищены авторскими свидетельствами два различных способа изготовления спиральных электродинамических систем, обеспечивающих значительное повышение эффективности взаимодействия в ЛБВ миллиметрового диапазона [19,21].
3. Обоснован теоретически и экспериментально и защищен авторским сви-
детельством [25] способ обеспечения, устойчивости к возбуждению на минус первой пространственной гармонике (при сохранении эффективности взаимодействия на нулевой гармонике) в коротковолновых ЛЕВ, основанный на задании закона ступенчатого изменения затухания в их электродинамических структурах.
4. Предложена, теоретически и экспериментально исследована и защищена авторским свидетельством [23] конфигурация полюсных наконечников магнитной системы, позволяющая получить одновременно приемлемую (с позиций фокусировки электронного пучка) амплитуду магнитного поля и удовлетворительную величину распределенных ВЧ потерь в динамическом режиме работы ЛЕВ миллиметрового диапазона.
5. Для анализа устойчивости сложных усилительных схем с активными и пассивными элементами разработана основанная на использовании аппарата регрессионого анализа методика расчета, сущность которой сводится к представлению схем любого уровня сложности в виде совокупности "базовых звеньев". С помощью этой методики проведены анализ и классификация различных проявлений неустойчивости таких схем.
6. Впервые обнаружен и объяснен теоретически эффект самовозбуждения (в динамическом режиме работы) широкополосных усилительных схем на субгармонике полезного сигнала, сопровождаемый снижением эффективности взаимодействия на основном усиливаемом сигнале; предложены, исследованы и защищены авторскими свидетельствами эффективные средства для предотвращения этих нежелательных эффектов [6,10,13].
7. Предложен, исследован (теоретически и экспериментально) и защищен авторским свидетельством [10] способ повышения устойчивости коротковолновых усилительных схем с волноводными элементами, основанный на. сочетании аномальных амплитудных характеристик входящих в них усилителей с аномальными дисперсионными характеристиками их электродинамических структур.
8. Предложены, исследованы и защищены двумя авторскими свидетельствами [6,13] способы широкополосного подавления мощных СВЧ сигналов при их взаимодействии соответственно с односкоростным и предварительно модулированном (например, в ЛБВ-усилителе) электронным пучком в режиме больших отрицательных параметров несинхронности. Построены математические модели и экспериментальные методики для расчета и отработки параметров построенных на таких принципах невзаимных ЛБВ-вентилей.
9. Предложена, расчитана, проверена экспериментально и защищена ав-
28
торским свидетельством конструкция частотно-селективного ВЧ-поглотителя с возрастающими в длинноволновой области рабочего диапазона частот распределенными ВЧ потерями [7], предназначенного для обеспечения устойчивой работы коротковолновых усилителей, селективные свойства которого формируются за счет выбора его конфигурации, находящейся в определенном теоретически соотношении со струюурой высокочастотного поля в электродинамической структуре.
10. Обнаружен, исследован теоретически и экспериментально с помощью специально разработанных методов расчета и оригинальных экспериментальных методик [8] эффект прямого влияния на взаимодействие в ЛБВ (работающих, как в режимах усиления, так и в режимах подавления) распространяющейся навстречу электронному пучку мощной, сформированной вне ЛБВ электромагнитной волны. Показана необходимость учета этого эффекта при расчете ЛБВ-подавителей (вентилей) практически с любой системой параметров и ЛБВ-усилителей, работающих на реальную СВЧ нагрузку; предложена математическая модель, позволяющая учесть это влияние.
11. Предложен и обоснован теоретически принципиально новый подход к комплектованию партий ЛБВ для систем с фазированными антенными решетками (ФАР), дополненный способом контроля фазочастотных характеристик этих ламп [11], основанный на использовании вероятностных подходов и позволяющий продвинуть ФАР на основе ЛБВ вплоть до длинноволновых областей миллиметрового диапазона длин волн.
12. Предложена, рассчитана, проверена экспериментально и защищена патентом на изобретение [30] оригинальная электродинамическая система, представляющая из себя совокупность параллельно соединенных желобковых волноводов, предназначенная для организации эффективного взаимодействия электромагнитных волн СВЧ диапазона с диссипативными диэлектрическими средами, решены с помощью совокупности разработанных теоретических и экспериментальных методов задачи согласования ЖВ со стандартными прямоугольными волноводами и задачи снижения уровня излучаемой из нее в пространство мощности.
13. Разработаны математические методы и экспериментальные методики, предназначенные для исследования путей повышения эффективности и снижения анизотропии основных параметров взаимодействия электромагнитного излучения с диссипативными диэлектрическими средами. Использование этого комплекса теоретико - экспериментальных подходов, позволило создать эффективно работающее промышленное радиотехническое оборудование и технологии
29
обезвоживания различных диэлектрических объектов [30,32,38,41,43,44,46].
14. Предложены, исследованы и защищены,.пат^нташ! на изобретения [31,45] и свидетельством на полезную модель [40] различные варианты объединения в едином процессе взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ и мощных тепловых потоков с диссипативными диэлектрическими средами. Использование таких подходов позволило создать промышленные радиотехнические комплексы комбинированного.обезвоживания структурированных различными способами (сплошных и дискретно распределенных) диэлектрических сред [32-34,36,37,42,46], по эффективности и изотропии сушки превосходящих аналогичные по функциональному назначению комплексы микроволнового обезвоживания.
15. Разработан и апробирован при решении конкретных задач создания радиотехнического оборудования микроволнового и комбинированного обезвоживания дискретных и сплошных диэлектрических сред комплекс программ для анализа динамики изменения основных параметров взаимодействия электромагнитных волн СВЧ с диэлектрическими средами, ВЧ потери в которых произвольным образом изменяются в процессе взаимодействия, (включая анизотропию диэлектрических характеристик и энерговыделения).
Список научных трудов автора по теме диссертации
1. Исследование полосовых свойств эффекта Компфнера/В.ЯЛвчуновский, Ю.А.Калинин, А.Ф.Панин, Б.В.Песин//Техническая электрогака и элекгро-динамика/Сарат. политех, ин-т. Саратов, 1975. С.66-76.
2. Панин А.Ф., Явчуновский В Л. Исследование эффекта Компфнера в широкой полосе частот на односкоростном и предварительно модулированном электронных пучкахУ/Вопросы расчета, технологии, разработки и исследований электронных и твердотельных приборов СВЧ: Тез. докл. и рекомендации науч.-техн. конф. Сер. Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ "Электроника", 1974. Вып.6(36). С. 11-12.
3. Теоретическое и экспериментальное исследование возможности применения отработанного электронного пучка /Ю.А.Калинин, А.Ф.Панин, С.Н.Фильчагин, ВЛЛвчу-новский//Применение экспериментальных методов исследования электронных пучков в разработках СВЧ приборов: Тез. Докл. и рекомендации науч.-техн. конф. Сер. Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ "Электроника", 1976. Вып. 3(72). С.54-55.
4. Явчуновский В Л., Калинин Ю.А. Исследование рекуперации энергии элек-
тронов в ЛБВ, работающей в режиме подавления//Вопросы расчета, технологии, разработки и исследований электронных и твердотельных приборов СВЧ: Тез. докл. и рекомендации науч.-техн. конф. Сер.Электроника СВЧ.М.:ЦНИИ"Электроника",1975.Вып.4(46).С.52.
5. Калинин Ю.А., Явчуновский В .Я. Исследование эффекта подавления в ЛБВ с предварительно модулированным электронным пучком в широкой полосе частот//Вопросы расчета, технологии, разработки и исследований электронных и твердотельных приборов СВЧ: Тез. докл. и рекомендации науч.-техн. конф. Сер Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ "Электроника", 1975. Вып.4(46). С.53.
6. A.c. 574056 СССР, МКИ HOIj25/34. СВЧ - прибор О-типаЛО.А.Калинин,
A.Ф.Панин, В.ЕЛоляк, ВЛ.Явчуновский (СССР).- № 2337506; Заявлено 23.03.76; 0публ.27.05.77.
7. Гаврилов М.В., Явчуновский В.Я., Якунин А.Н. Поиск компромиссных решений при проектировании и разработке современных ЛБВ//Лекции по электронике СВЧ и радиофизике (8-я зимняя школа-семинар). Кн.З. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989.152 с.
8. Бондаренко С.М., Явчуновский В.Я., Кононов A.M. Влияние встречной волны на взаимодействие электронного пучка с ВЧ-полем в ЛБВ//Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1985. Вып.Ю. С.6-9.
9. Явчуновский В Л., Миркин В.И, Фалькенгоф А.Е.. Предельные уровни мощности спиральных ЛБВ: Обзоры по электронной технике. Сер.1. Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ "Электроника", 1986. Вып.9 (1195). 49 с.
10. A.c. 1200754 СССР, МКИ HOIj 25/34. Способ усиления электромагнитного сигнала СВЧ-диапазона./В.Я.ЯвЧуковский, С.М.Бондаренко, А.М.Кононов, А-В.Уполовнев (СССР). - №3734410/24-21; Заявлено 28.04.84; Опубл. 22.08.85.
11. A.c. 1353212 СССР, МКИ HOIj 25/34. Способ контроля частотных характеристик лампы бегущей волны//Р.С.Горская, ОА.Котелевский, А.ФЛанин,
B.ЯЛвчуновский(СССР). -№ 3876500; Заявлено01.04.85; Опубл. 15.07.87.
12. Калинин Ю.А, Панин А.Ф., Явчуновский В.Я. Анализ характеристик отработанного электронного пучка прозрачной ЛБВ//Вопросы расчета, технологии, разработки и исследований электронных и твердотельных приборов СВЧ: Тез. докл. и рекомендации науч.-техн. конф. Сер. Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ "Электроника",1976.Вып.З(72).С.53-54.
13. A.c. 580769 СССР, МКИ HOIj 25/34. Электронный СВЧ прибор О-
типа./Ю.А.Калинин, А.ФЛанин, В.А.Лепилов, ВЛЛвчуновский (СССР). -№2325577/25; Заявлено 23.02.76; Опубл. 22.07.77.
14. Явчуновский В Л., Бородин М.В. Разработка широкополосного фазовращателя на высокие уровни мощности/ЛЗопросы расчета, технологии, разработки и исследований электронных и твердотельных приборов СВЧ: Тез. Докл. и рекомендации науч.-техн. конф. Сер. Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ "Электроника", 1974. Вып.З (33). С.29.
15. Ильина Е.М., Кац.А.М., Кудряшов В.П., Миркин В.И., Явчуновский В.Я. Широкополосная ЛБВ с секцией дрейфа//Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1976. Вып.5. С.14-17.
16. A.c. 651425 СССР, МКИ HOIj 25/34. Коллектор электронов для мощных приборов СВЧ/В.И.Роговин, А.Е.Фалькенгоф., В Л.Явчуновский (СССР). -№2413311; Заявлено 18.10.76; Опубл. 14.11.78.
17. A.c. 6711859 СССР, МКИ HOTj 25/34. Лампа бегущей волны/А.ГЛазерсок, В.ЕЛоляк, А.Е.Фалькенгоф, ВЛЛвчуновский (СССР). - №2650915; Заявлено 31.07.78; Опубл. 20.09.80.
18. A.c. 1123446 СССР, МКИ HOIj 23/26. Способ изготовления замедляющих систем спирального типа/Р.С.Горская, В.А.Дацковский, И.Е.Роговин, В .Я .Явчуновский (СССР). -№ 3559975; Заявлено 03.03.83; Опубл. 08.07.84.
19. A.c.1093156 СССР, МКИ HOIj 25/34. Прибор СВЧ О-типа/В ЛЛвчуновский (СССР). —№ 3436388/21; Заявлено 10.05;82; Опубл. 15.01.84.
20. Перелыгин A.B., Русаков H.A., Явчуновский В Л. Зарубежные ЛБВ миллиметрового диапазона. Выходные характеристики. Конструктивно-технологические решения: Обзоры по электронной технике. Сер.1. Электроника СВЧ. М.:ЦНИИ "Элеюроника", 1985. Вып.5 (1082). 51 с.
21. A.c. 1419408 СССР, МКИ HOIj 25/34. Способ изготовления замедляющих • ' систем для широкополосных ламп бегущей волны/С.М.Бондаренко,
B.ИМиркин, С.М..Орлов, В ЛЛвчуновский, А.ПГордеев (СССР). - № 4054807; Заявлено 10.04.86; Опубл. 22.04.88.
22. A.c. №1426331 СССР МКИ HOIj 23/087. Магнитная фокусирующая система ; для СВЧ-прибора/А.И.Тореев, ВЛЛвчуновский, С.В.Шемчик,
C.М.Бондаренко, Б.Б.Бобров, А.Е.Фалькенгоф (СССР). -№ 4112304; Заявлено 04.09.86; Опубл. 22.05.88.
23. A.c. 1438516 СССР, МКИ HOIj 23/087. Мощный СВЧ прибор О-
типа./В .Я.Явчуновский, А.В.Уполовнев, Д.Г.Щелканов, А.Г.Гехтерис, С.М.Орлов, С.М.Бондаренко, А.В.Перелыгин(СССР). -
№4147685;3аявлено17.11.86;0публ.15.07.88.
24. A.c. 1464784 СССР, МКИ HOIj 23/087. Способ изготовления магнитных фокусирующих систем для СВЧ приборов 0-типа.//В.С.Андрушкевич, Ю.А.Григорьев, А.В.Перелыгин, В.Ю.Сахаджи, В.Я.Явчуновский (СССР). -№4153667; Заявлено 26.11.86; Опубл. 8.11.88.
25. А.с.1531744 СССР, МКИ HOIj 25/34. Лампа бегущей волны/В Л Лвчуновский, С.М.Бондаренко, Е.М.Ильина, Р.С.Горская, Ю.ИЗотов, А.В.Уполовнев (СССР). - №4307366; Заявлено 21.09.87; Опубл. 22.08.89.
26. A.c. 1581112 СССР, МКИ HOIj 25/34. Лампа бегущей волны/В.К.Семёнов, Ю.Н.Чихичин, ВЛЛвчуновский, Л.М.Лагранский, А.Н.Якунин,
A.В.Барцев (СССР). -№ 4427041; Заявлено 04.04.88; Опубл. 22.03.90.
27. A.c. 1581108 СССР, МКИ HOIj 23/087. Магнитная периодическая фокусирующая система//В ..Я.Явчуновский, А.И.Кудрявцев, Д.Г.Щелканов, Л.М.Лагранский, А.Г. Гехтерис (СССР). - № 4428535; Заявлено 23.05.88; 0публ.22.03.90.
28. Расчёт ЛБВ на ЦСР с учётом распределённого затухания в системе/Е.М.Ильина, Г.Е. Колобаева, А.В.Перелыгин, Б.Л.Ушерович,
B.Я.Явчуновский//Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1989. Вып.7(421). С.65-68.
29. A.c. 1398689 СССР, МКИ HOIj 25/34. Вакуумный ввод питания СВЧ- прибо-ра/С.М Бондаренко, В.А.Б1грюков, В.М.Курицын, ОВМитенев, ВА.Неганов., ВЛЛвчуновский (СССР). -№ 4085804; Заявлено 02.07.86; Опубл. 27.01.87.
30. Пат. 2055447 Россия, МКИ 6Н05В6/64. Установка для СВЧ обработки диэлектрических материалов/СГ.Сучков, В.И.Миркин, ВЛЛвчуновский и др. (Россия). - № 5016898/09; Заявлено 13.12.91; Опубл. 27.02.96.
31. Пат. 2084084 Россия, МКИ 6Н05В6/64. Установка для СВЧ обработки диэлектрических материалов/В.А.Малярчук, В.И.Мирюш, СГ.Сучков, ВЛЛвчуновский (Россия).- №94027974/49; Заявлено 12.03.95; Опубл. 10.07.97.
32. Явчуновский ВЛ., Малярчук ВА. Новые подходы к использованию микроволновой энергии для сушки различных диэлектрических материалов// Микроволновые технологии в народном хозяйстве: Материалы докл. Всероссийской науч.-техн. конф., Казань, 12-18 июня 1995 г. Казань: Изд-во
Казан.техн.ун-та им. А.Н.Туполева, 1995. С.37.
33. Методология и реализация комбинированной сушки овощей, использующей микроволновый и конвективный механизмы обезвоживания продук-тов./Р.М.Долгопятов, В.Я.Явчуновский, С.В.Явчуновская и др.//Научно-технический прогресс в сельском хозяйстве: Тез. докл. межд. Конф. -Минск, 16-17 февраля 1996 г.-Минск, 1996. С. 43.
34. Пути создания сушильного оборудования с минимизированными энергозатратами на базе комбинации различных физических механизмов обезвоживания пищевой продукции/Р.М. Долгопятов, ВА. Малярчук, В Л. Явчуновский, СБ. Явчуновская и дрУ/Научно-технический прогресс в сельском хозяйстве: Тез. докл.Межд. конф. Минск, 16-17 февраля 1996 г.-Минск, 1996.С.56.
35. Решение задачи преобразования и транспортировки электромагнитных СВЧ колебаний применительно к оборудованию микроволновой сушки диэлектрических объектов/В Л. Явчуновский, АВ. Львицын, В А. Малярчук, C.B. Явчунов-ская/УВопросы преобразовательной техники частотного электропривода и управления: Межвуз. науч. сб. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. 1996, С.47-58.
36. Явчуновский ВЛ., Пенто В.Б. Сравнительный анализ современных технологий и оборудования для сушки сельскохозяйственных продук-тов//Вестник ВНИИКОП. M., 1995. С .27.
Ъ1. Явчуновский В Л., Малярчук В А. Методология и реализация комбинированной сушки овощей, использующей микроволновой и конвективный механизмы обезвоживания продуктов Микроволновые технологии в народном хозяйстве: Материалы докл. Всероссийской гауч.-техн. Конф., Казань, 12-18 июня 1995 г. Казань: Изд-во Казан.техн.ун-та им. А.Н.Туполева, 1995. С.57.
38. Физические механизмы микроволновой сушки пищевой продукции/ Р.М. Долгопятов, C.B. Явчуновская, ВЛ Явчуновский и дрУ/ Научно-технический прогресс в сельском хозяйстве: Тез. докл. междун. конф. Минск, 16-17 февраля 1996 г. Минск,1996. С.37.
39. Явчуновский В Л., Львицын А.В., Явчуновская C.B. Анализ проблем надёжности функционирования магнетронных источников микроволновой энергии среднего уровня мощности// Вопросы прикладной физики: Межвуз. науч. сб. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1997. Вып.З. С.97-101.
40. Явчуновский В Л., Малярчук В.А. Устройство для сушки продуктов. — Свидетельство на полезную модель № 00004369 от 16.06.97 г. по заявке
