Параметрические и резонансные взаимодействия в приборах М-типа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ В СИСТЕМАХ СО СКРЕЩЕННЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНШЛИ ПОЛЯМИ.

1.1. Спектр колебаний, существующий в НЧ-области . . . Ю

1.2. Линейная теория взаимодействия электронного луча с полем замедляющей системы в скрещенных электрическом и магнитном полях.

1.3. Выводы.

2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НЧ-СИГНАЛА И НАКАЧКИ НА УРОВНИ МОЩНОСТИ САТЕЛЛИТОВ.2S

2.1. Исследование параметрических колебаний в линейных системах.

2.2. Исследование параметрического взаимодействия сигналов с близкими частотами в кольцевых системах.

2.3. Выводы.

3. РЕЗОНАНСНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СКРЕЩЕННЫХ ЭЖТРОМАГНИТ-НЫХ ПОЛЯХ.

3.1. Линейная теория резонансных взаимодействий

3.2. Расчет уровней побочных колебаний при взаимодействии потоков с обратными волнами

3.3. Резонансно-параметрические взаимодействия

3.4. Выводы.

4. НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОДУЛИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОННОГО

ПОТОКА С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ВОЛНАМИ.

4.1. Основные уравнения нелинейного взаимодействия

4.2. Анализ результатов численного счета

4.3. Выводы.

Jim ускорения научно-технического прогресса необходимо повышение эффективности исследований, ускорение внедрения достижений науки и техники в производство, обеспечение опережающего развития фундаментальных исследований, повышение результативности исследований.

Особое внимание в области естественных и технических наук уделяется развитию математической теории, повышению эффективности ее использования в прикладных целях, развитию физики элементарных частиц и атомного ядра, физики твердого тела, оптики, квантовой механики и радиофизики.

В настоящее время одним из актуальных направлений современной радиофизики является изучение параметрических, резонансных и нелинейных взаимодействий в сложной системе электронный поток-электромагнитная волна, что связано с важностью прогнозирования многочастотных ситуаций в ряде электровакуумных приборов СВЧ.

Процессы, протекающие в скрещенных электрическом и магнитном полях при взаимодействии электронных потоков с электромагнитными волнами, изучены еще недостаточно хорошо. Это объясняется сложностью понимания физики взаимодействия и отсутствием модели, лучшим образом отражающей суть работы устройств в реальных условиях полигармонического режима, когда в спектре присутствует ряд дискретных частот, обусловленных синхронными взаимодействиями полей с электронным потоком, плазменными неустой-чивостями, низкочастотными и высокочастотными процессами в облаке пространственного заряда и другими явлениями.

Для исследования этих явлений необходимо анализировать как линейные, так и нелинейные аспекты взаимодействия электромагнитних волн с электронными потоками. Без глубокого анализа физических процессов взаимодействия потоков заряженных частиц с электромагнитными волнами не может быть решена и проблема подавления или снижения уровня побочных колебаний в приборах СВЧ, которые охватывают широкую область частот как более высоких, так и более низких по отношению к частоте основного сигнала. Составляющие этих частот распределены по своей интенсивности вплоть до уровня шумов, и с приближением к их уровню число составляющих побочных колебаний резко возрастает. Наибольшие уровни побочных колебаний обычно достигают значений -40 . -25 дБ по отношению к амплитуде основного сигнала, что вызывает необходимость изучения их возникновения.

В связи с этим в последнее время активно изучаются причины появления многочастотных режимов в скрещенных полях, такие как параметрические, резонансные и нелинейные взаимодействия волн электронного потока с высокочастотными полями в замедляющей системе. Вопрос полного расчета и анализа взаимодействия электронов с ВЧ-волной в известной нам литературе не рассмотрен.

В настоящее время известны работы, посвященные "доминирующим" резонансам, однако взаимосвязь этих явлений с процессами нарастания колебаний на основной частоте не ясна, не создана еще удобная методика расчета уровней этих колебаний при их "недоминирующем" влиянии.

Линейное приближение теории взаимодействия инжектированных потоков с ВЧ-полями позволяет учитывать только те побочные виды колебаний, которые вытекают из ясного физического представления явлений в скрещенных полях и для которых можно использовать условия их независимого существования во времени и пространстве. Но это приближение не дает ответа о спектральном составе сгруппированного потока, о появлении комбинационных составляющих и их устойчивости, не позволяет оценить выходные характеристики при подаче на вход замедляющей системы амплитудно-модулированных сигналов. Важно знать и уметь предсказывать спектр излучения на выходе. В связи с широким применением усилителей и генераторов М-типа подобные исследования процессов взаимодействия в скрещенных полях являются достаточно актуальными.

Целью данной работы является изучение влияния низкочастотных колебаний, вызванных различными сопутствующими причинами (модуляцией потока по плотности или по скорости), резонансными свойствами замедляющей системы и др. на процесс нарастания и спектр излучения сигнала. Получены следующие новые научные результаты:

1. Впервые построена математическая модель и разработана методика для анализа процессов, протекающих при взаимодействии низкочастотных колебаний с ВЧ-сигналом, и на основе их параметрической связи определены уровни сателлитов вблизи несущей.

2. Разработана методика расчета уровней колебаний, обусловленных резонансными и резонансно-параметрическими взаимодействиями.

3. Сформулированы уравнения взаимодействия модулированного » . электронного потока с электромагнитными еолнэми в скрещенных полях, и решена задача об определении выходных характеристик при подаче на вход амплитудно-модулированных сигналов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика и результаты анализа параметрического взаимодействия электронного потока с электромагнитными волнами,

2. Результаты анализа резонансного и резонансно-параметрического взаимодействия волн.

3. Методика расчета и результаты анализа спектральных характеристик, полученных при нелинейном взаимодействии еолн электронного потока с электромагнитными еолнэми в случае низкочастотной и высокочастотной модуляций по току и напряжению.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 89 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц и 29 рисунков (на 24 страницах), приложения на 40 страницах, перечня используемой литературы, включающего 70 наименований.

П.6. Выводы

Линейные и кольцевые замедляющие системы обладают дискретным рядом полос пропускания, в связи с чем они могут поддерживать многочастотный режим взаимодействия.

В исследованных системах в каждой полосе пропускания распространяется одна из собственных волн, что позволяет упростить математическую постановку задачи.

Приведенные уравнения позволяют анализировать электродинамические характеристики замедляющих систем в широком интервале изменения их геометрических размеров и определять наиболее опасные зоны взаимодействия колебаний.

Возможно управление многими характеристиками систем за счет выбора числа и формы резонаторов, что позволяет в некоторой степени регулировать число видов колебаний с равными коэффициентами замедления.

Поскольку в замедляющих системах ОКМ частотные свойства определяются высокодобротным стабилизирующим резонатором, подсоединенным к системе анодного блока ОКМ, то это позволяет селектировать ряд резонансов, но усложнение структуры приводит к появлению дополнительных составляющих спектра и возбуждению паразитных колебаний.

Результаты, представленные в данном приложении, кроме прикладного характера с целью построения теории многочастотного взаимодействия, имеют самостоятельный интерес для исследования характера распространения волн в линейных и кольцевых замедляющих системах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Силин В.П. Параметрическое воздействие излучения большой мощности на плазму.- М.: Наука, 1973. 331 с.

2. Doehler 0., Dohler G. Parametric Oscillations in High Power Injected Beam Crossed Field Amplifiers and TWls.- IEEE Transactions on Electron Devices,1979, voL.ED-26 r 10 p. 16021609. ' '

3. Киценко А.Б., Степанов K.H. Низкочастотные параметрические неустойчивости плазмы.- В сб.: Проблемы теории плазмы, Киев: Наук, думка, 1976, с.320-329. '

4. Репалов Н.С., Тырнов В.Ф. К теории параметрического резонанса в пространственно-модулированной плазме.- ЖГФ, 1973, т.ХХХХШ, $ 8, с.1588-1594.

5. Побочные колебания в сверхвысокочастотных электровакуумных приборах: Обзоры по электронной технике.- ЦНИИ Электроника. Сер.1, Электроника СВЧ, 1970, вып.2, с.1-47.

6. Стальмахов B.C. Электронные волны в сверхвысокочастотных лучевых приборах со скрещенными полями.- Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1970. 240 с.

7. Manechal F. Caracteristiques el" nature desoscillations parasites dans les carcinotnons.- Vlntern.Cont.on Microwave Devices P., 1965, vol.1, N<4, p. 31 -48.

8. Hutter R. Electromagnetic wave and electron beam interaction . Mс .Grow. Hill, n4 , Ш, 386p.

9. Люисел У. Связанные и параметрические колебания в электронике.- М.: Изд-во иностр.лит., 1963. 351 с.

10. Шеин А.Г. Параметрическое взаимодействие в лучевых приборах М-типа.- В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харьк. ун-та, 1973, вып.27, с.81-88.

11. Бабырин А.А., Тер-Мартиросян Л.Т. Электродинамический расчет взаимодействия электронного луча с полем замедляющей системы.- Радиотехника и электроника, IS69, т.Х1У, 2,с.277-285.

12. Мурье. Теория слабого сигнала.- В кн.: Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями: В 2-х т./Под ред. Федорова. М.: Изд-во иностр.лит., 1961, т.1, с.333-365.

13. Бочаров Е.П., Трубецков Д.И., Шевчик В.Н. Параметрическое "охлаждение" медленной циклотронной волны электронного потока е скрещенных полях.- Письма в 2ТФ, 1970, т.XI, В 12,с.588-591.

14. Шматько Е.И., Шеин А.Г. Исследование побочных колебаний в лучевых приборах LI-типа, обусловленных параметрическим взаимодействием сигналов.- В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харьковского ун-та, 1976, вып.39, с.85-95.

15. Шевчик В.Н., Трубецков Д.И. Аналитические методы расчета в электронике СШ.- М.: Сов.радио, 1970. 568 с.

16. Лопухин В.М., Рошаль А.С. Электронно-лучевые параметрические усилители.- М.: Сов.радио, 1968. 239 с.

17. Шматько Е.И., Шеин А.Г. Исследование влияния низкочастотных возмущений на спектр частот магнетронов.- В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харьк.ун-та, 1975, вып.32, с.109-114.

18. Нечаев В.Е. Приближенный анализ процессов в многорезонатор-ном магнетроне. Плоская модель.- М.: Изв.вузов, Радиофизика, 1962, т.У, JS 3, с.435-541.

19. Шматько Е.И. Резонансные взаимодействия в приборах со скрещенными полями.- В сб.: ВШИ "РИПОРТ": реферат, 1976, JS 22.-Рукопись деп. ЦНИИ "Электроника", 1976, й 4368/76.

20. Теория лучевых приборов магнетронного типа: Кн.5 /Под ред. Трубецкова Д.И. Саратов: Изд-во Сарат.ун-та, 1972. 216 с.

21. Edwards R. Reduction of Sperious output" from Radar1 magnetron Tubes.-IEEE Soufheasf EMC Symposium Rec., Gsongia, 1963, p.287-300.

22. CatterW.C. Trends observed in measured electronic equipment characterics suggest areas in improved design tor compabi -lity IEEE Southeast EMC Symposium Rec. Georgia, 1969 , p.340-353.

23. Sobol H.,RoweJ.E.Eleclronics and Confrol.1960fvoiyill,r5;3Z1p.

24. Шматько Е.И. Нелинейное взаимодействие модулированного электронного потока с электромагнитными волнами в приборах М-ти-па.- В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харьк. ун-та, 1982, 'вып.62, с.38-46.

25. Роу Дж. Теория нелинейных явлений в приборах СВЧ.- М.: Сов. радио, 1969. 615 с.

26. Шеин А.Г., Старостенко В.В., Сова А.В. Модуляционные характеристики ЛБШ.- Радиотехника и электроника, 1974, т.XIX,1. JS 6, с.1242-1248.

27. Заветный В.PL, Сергиевский Б.Д. Корреляционная функция колебаний, модулированных случайными процессами (применительно к модуляции ЛЕВ).- Радиотехника и электроника, 1975, т.XX, Щ, с.582-589.

28. Заветный В.И. Спектральные и энергетические характеристики колебаний, модулированных в.ЛЕВ.- Радиотехника и электроника, 1976, t.XXI , II 4, с.813-820.

29. Заветный В.И. Энергетические и спектральные характеристики колебаний, модулированных ЛБВ одновременно по амплитуде и фазе нормальными случайными процессами.- Радиотехника и электроника, 1980, т.ХХУ, 8, с .1777-1780.

30. Вайнштейн Л.А., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике.- М.: Сов.радио, 1973. 399 с.

31. Филимонов Г.Ф., Бадлевский Ю.Н. Нелинейное взаимодействие электронных потоков и радиоволн в ЛЕВ.- М.: Сов.радио, 1971. 184 с.

32. Кац A.M., Ильина Е.М., Ыанькин И.А. Нелинейные явления в СВЧ-приборах с длительным взаимодействием.- М.: Сов.радио, 1975. 296 с.

33. Сова А.В., Старостенко В.В., Шеин А.Г. Нелинейная теория * •трехмерной ЛБВМ.- В сб.: Радиотехника: Изд-во Харьк. ун-та, 1973, вып.27, с.74-81.

34. Шадрин А.А., Шеин А.Г. К расчету полей пространственного заряда в электронных приборах "сверхбыстрым" методом Хокни.

35. В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харьк. ун-та, 1974, вып.28, с.145-180.

36. Трубецков Д.И. К линейной теории лучевых приборов со скрещенными полями.- Радиотехника и электроника, 1965, т.Х, $ 2.322 с.

37. Gould R.W. Space charge effects in beam-type magnetrons. ' -J.Appl. Phys., 195^ voLAXVIII, №5, p.599 -605.

38. Hufter R. Beam and wave ctocTranics on microwave tubes. • -Mc.Grow Hill,N.y.,1360,340p

39. Соколов В.В., Трубецков Д.И. Работа лучевых приборов магне-»тронного типа в режиме циклотронного резонанса.- В сб.: Вопросы электроники СВЧ, Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1967, вып.Ш.

40. Гурзо В.В., Куликов А.П., Стальмахов B.C. О возбуждении волн в тонком электронном потоке, движущемся в скрещенных полях в области дрейфа.- В сб.: Вопросы электроники СВЧ, Саратов: Изд-ео Сарат. ун-та, 1969, вып.6, с.101-109.

41. Sasaki A., Van Duzer Т. Noise-Figure Expressions for crossed-Field Amplifiers. Proc. of the4--th Inf.Gongness on Micr.Tubes, 1962.

42. Гурзо В.В., Стальмахов B.C., Трубецков Д.И. К теории параметрического усиления циклотронных волн в лучевых приборах со скрещенными полями.- Радиотехника и электроника, 1965, т.Х, Л 12, с.2251-2254.

43. Шеин А.Г., Сова А.В., Старостенко В.В. Исследование влияния конечной толщины электронного потока на характеристики ЛБШ в многочастотном режиме.- Радиотехника и электроника, 1977, т.ХХП, J5 9, C.IS28-I934.

44. СоЕа А.В., Старостенко В.В., Шеин А.Г. Исследование характеристик ЯБВМ с толстым электронным потоком. Часть I. Вывод рабочих соотношений.- В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харьк. ун-та, 1976, вып.38, с.66-73.

45. Сова А.В. Особенности взаимодействия толстых электронных потоков в скрещенных полях с высокочастотными волнами: Дис. . канд.физ.-мат.наук /Харьк. ордена Трудового Красного Знамени гос. ун-тет им. А.М.Горького. Харьков, 1979.

46. Ширшин С.И., Байбурин В.Б., Иванова Л.Н. К анализу процессов взаимодействия в дематроне.- Радиотехника и электроника, 1980, т.ХХУ, i;;I0, с.2169-2179.

47. Белявский Е.Д., Гельнер В.В. Расчет спектра сигнала на выходе ЛЕВ по заданному входному спектру.- Радиотехника и электроника, 1980, т.ХХУ, & 4, с.801-806.

48. Железовский Б.Е., Кальянов Э.В. Многочастотные режимы в приборах СВЧ.- М.: Связь, 1978,256 с.

49. Алгазинов Э.К., Мымрикова Н.Н. Теоретический анализ взаимодействия в ЛЕВ двух сигналов в широкой полосе частот.- Радиотехника и электроника, 1980, т.ХХУ, с.792-800.

50. Бриллюэн Л., Пароди М. Распространение волн в периодических структурах.- М.: Изд-во иностр. лит., 1959. 457 с.

51. Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы.- М.: Сов.радио, 1966. 628 с.

52. Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие систеш.- Киев: Техника, 1965. 307 с.

53. Коллинз. Магнетроны сантиметрового диапазона: В 2-х т. Под ред. Зусмановского. М.: Сов.радио, 1950, т.1. 420 с.

54. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ: В 2-х т. М.: Высш.школа, 1972. 368 с.

55. Бузик Л.И., Гаплевский В.В. Расчет амплитудного спектра пространственных гармоник плоской гребенчатой замедляющей систеш.- Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ, 1967, вып.12, с.36-44.

56. Дейнека 10.А. Сопротивление связи изогнутого волновода, нагруженного гребенчатой замедляющей структурой.- В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харьк. ун-та, 1966, вып.2, с.81-88.

57. Дзыган В.П., Старостенко В.В., И1еин А.Г. Исследование ограниченной гребенки в волноводе.- В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харьк.ун-та, 1972, вып.22, с.19-25.

58. Коваленко Е.С., КоЕаленко B.C. К теории дифрагмированного волновода прямоугольного сечения.- М.: Изв.вузов,- Радиотехника, 1961, тДУ, JS I, с.II-25.

59. Pokorny6.E.,Kushick А.Е.,Hull T.F. The demafron a new crossed field amplifier. IEE TRan&# 196Zfvol.EP-9,г4-,р. 13-19.

60. Шеин А.Г., Старостенко В.В. Дисперсия и амплитудный спектр полноводной встречно-штыревой замедляющей системы.- В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харш. ун-та, 1971, вып.18, с.40-46.

61. Море Ф.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. В 2-х т. М.: Изд-во иностр.лит., 1958, т.1, 930 е., I960, т.2,886 с.

62. Альтшулер Ю.П., Татаренко А.С. Лампы малой мощности с обратной волной.- М.: Сое.радио, 1963. 250 с.

63. Шматько Е.И., Жданов Н.Н. Исследование замедляющих систем «для ЛБВМ,- В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харьк. ун-та, 1973, вып.27, с.128-132.

64. Дейнека Ю.А. Сопротивление связи изогнутого волновода, нагруженного гребенчатой замедляющей структурой.- В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харьк. ун-та, 1966, вып.2, с.161-167.

65. Морозов Б.Н. Влияние изгиба на свойства периодических диафрагмированных волноводов прямоугольного сечения.- Радиотехника и электроника, 1961, т.У1, с.9-16.

66. Коротун Л.И. Анодный блок коаксиального магнетрона.- М.: Изв.вузов. Радиотехника, 1965, т.УШ, с.374-384.

67. Зайцев А.Е. Расчет спектра частот резонаторной системы коаксиального обращенного магнетрона.- В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харьк. ун-та, 1969, вып.5, с.77-84.

68. Еременко А.Л., Шлифер Э.Д. К методике расчета колебательной системы обращенно-коаксиального магнетрона.- В сб.: Электронная техника, Сер.1, Электроника СВЧ, 1978, вып.II,с.7-14.

69. Шульга В.Г., Шеин А.Г. Об измерении сопротивления связи замедляющих систем.- В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харьк. уН-та, 1966, вып.2, с.176-180.

70. Шматько Е.И. Исследование дисперсионных характеристик обращенно-коаксиального магнетрона.- В сб.: Радиотехника, Харьков: Изд-во Харьк. ун-та, IS8I, вып.58, с.115-121.