Пути и методы повышения эффективности взаимодействия электронного потока с замедленными электромагнитными волнами в системах со скрещенными полями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Г-П —' /

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

РГб од

ИНСТИТУТ РАДИОФИЗИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ ; ! им. А.Я. Усикова

621.385.06

На правах рукописи

Чурюмов Геннадий Иванович:

ПУТИ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА С ЗАМЕДЛЕННЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ВОЛНАМИ В СИСТЕМАХ СО СКРЕЩЕННЫМИ ПОЛЯМИ

Специальность 01.04.04. — физическая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Харьков 1997 г.

/

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Харьковском государственном техническом университете радиоэлектроники

Научный консул угант:

Офшгиал^тт^а одпоненты:

доктор технических наук, профессор

Шифрин Яков Соломонович ( ХТУРЭ)

доктор физико — математических наук, старший научный сотрудник Айзацкий Николай Иванович (НИК "Ускоритель" ННЦ ХФТИ)

доктор физико — математических наук, старший научный сотрудник Найденко Виктор Иванович (НТЦ Украины "КПИ")

доктор физико — математических наук, профессор Цвык Алексей Иванович (ИРЭ НАНУ)

Ведущая организация: Харьковский государственный

университет, кафедры теоретических * основ радиофизики и физики СВЧ Защита состоится " 24 " июня 1997 г, в 10—00 час. на заседании специализированного совета Д 02.29.01 Института радиофизики и электроники им. А.Я. Уснкова HAH Украины по адресу: 310085, Харьков, ул. акад Проскуры 12.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института радиофизики и электроники НАНУ.

Автореферат разослан " oLß? » ju^b-»^____ 1997 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета, - ^

докт. физ, —мат. наук [yfj^u С.Н. Харьковский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Дгау<М51Н0£ХЬ_хемы: к числу актуальных задач современной радиофизики и физической электроники относится задача взаимодействия электромагнитных волн с нелинейной средой (газовой смесью, полупроводниковым монокристаллом, электронным или ионным потоками и т.д). Повышенный научный интерес к задачам подобного рода объясняется тем, что процессы, протекающие в системах типа "активная среда + электромагнитная волна" лежпт в основе функционирования практически всех электронно —волновых систем: от вакуумных и твердотельных усилителей и генераторов СВЧ до плазменных устройств и приборов нелинейной оптики.

Особое место среди систем, использующих активные свойства электронного потока, занимают электровакуумные приборы (ЭВП) СВЧ. Значительный уровень мощности из — лучения, высокая радиационная и тепловая стойкость, • большой срок службы и надежность схем на ЭВП сделали привлекательным их применение при решении задач радиолокации, радионавигации, связи, радиопротиводействия и радиоэлектронного подавления, промышленного и бытового СВЧ нагрева. В последнее время наметились новые приоритеты в выборе и использовании ЭВП СВЧ в области вакуумной микроэлектроники; а также для разработки перспективных военных систем, включающих глобальные стратегические задачи обороны (например, программа СОИ в США), технологию "антистелс ", электромагнитное оружие и оружие высокоточного наведения, осуществление проекта передачи солнечной энергии дз космоса на Землю электронным лучем, наземные передатчики для питания энергией беспилотных летательных аппаратов, а также системы управления и связи. При решении этих и ряда других задач с достаточной степенью эффективности можно использовать приборы, взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем в которых происходит в скрещенных статических электрическом и магнитном полях (взаимодействие М — типа). Благодаря высокому значению к.п.д (до 60 % и выше), относительно малым рабочим напряжениям при достаточно

большом уровне выходной мощности, высокой фазовой стабильности и линейности фазочастотной характеристики (что особенно важно для работы в допялеровских РЛС и РЛС с активной фазированной антенной решеткой), небольшим габаритным размерам и массе данные приборы нашли широкое применение в выходных каскадах современных радиоэлектронных систем (РЭС) военного и гражданского назначения.

С /фугой стороны тенденции и принципы построения РЭС указывают на рад задач, требующих своего решения. К их числу относится обеспечение многоканальное™ и многофункциональности, улучшение помехозащищенности, увеличение разрешающей, способности и радиолокационного распознавания, а также необходимость удовлетворения требованиям электромагнитной совместности (ЭМС), надежности, скрытности работы и др, Практическое их решение, с одной стороны, повлекло за" собой пересмотр традиционных схем построения современных РЭС, а с другой — предъявило более серьезные требования и обусловило повышенный интерес к развитию новой элементной базы, в час — тноегги, к совершенствованию различных источников электро — магнитного излучения й в том числе приборов магнетронного типа.

Рассматривая и обобщая задачи,' связанные с проектированием и созданием перспективных РЭС можно вы — делить ряд актуальных направлений исследований, которые, кроме того, что отражают общую , ситуацию в области теории приборов М — типа, формулируют также и проблемы, которые ограничивают дальнейшее совершенствование процессов, протекающих в них. Одной из таких проблем является проблема повышения эффективности преобразования энергии, запасенной, в электронном потоке в энергию электромагнитной волны на частоте полезного сигнала. При этом понятие "эффективность" следует понимать в широком смысле, охватывающем весь комплекс выходных параметров приборов, а не только отдельно взятые характеристики (например, кпд коэффициент усиления и т.п.). В связи с этим решение сформулированной проблемы разбивается на ряд актуальных задач (или путей), связанных с

• повышением коэффициента усиления и кпд приборов М—типа; уменьшением уровня побочных колебаний (ПК) в спектре выходного сигнала, а также исследованием возможностей управления их уровнем;

• созданием усилителей и генераторов М—типа б миллиметровом диапазоне длин волн, обладающих высокими эксплуатационными параметрами;

• совершенствованием режимов работы (импульсного и непрерывного), а также изучением возможностей осуществления полного управления процессом усиления с помощью входного ВЧ сигнала (режим самомоду ляцип или безмодуляторного питания).

Необходимо отметить, что проведенные исследования по — вышения эффективности процесса энергообмена, в основном, касались классических приборов со скрещенными полями, основу которых составляют системы типа "электронный поток 4- ВЧ волна". В тоже время отсутствие практически значимых позитивных результатов является основным стимулом продолжения исследований, связанных с разработкой принципиально новых подходов и методов повышения эффективности взаимодействия. В этом плане значительный интерес вызывает применение нетрадиционных приборов, в основе ко — торьгх лежат системы типа "два электронных потока + ВЧ волна" и "электронный поток + две ВЧ волны". В отличии от классических систем теоретические аспекты электронно — волнового взаимодействия в нетрадиционных системах (кале в линейном приближении, так и в режиме большого сигнала) разработаны недостаточно и требуют более детального и -обстоятельного изучения.

Таким образом вышеизложенное позволяет сформулировать основные направления'настоящих исследований. применительно к практическим потребностям в тех областях пауки и техники, где применение приборов М-типа оказывается более предпочти — гельным по сравнению с другими источниками электромагнитного излучения.

Цель работы, В свете изложенного основной целью работы япляется создаггие класса самосогласованных математических

моделей приборов М—типа различной степени строгости: от аналитических (или квазианалитических) до численных, основанных на методе крупных частиц, применение предложенных моделей для исследование проблемы повышения эффективности взаимодействия электронного потока с электромагнитной волной в классических системах со скрещенными полями (в том числе и обращенных), выявление и уточнение особенностей нелинейного характера такого взамодействия с учетом его многочастотности, а также теоретическое и экспериментальное исследование механизма взаимодействия и* энергообмена в новых нет — радиционных приборах М— типа.

В качестве важной прикладной дели исследований рассматриваются методологические вопросы, связанные с повышением эффективности управления вычислительным экспериментом на основе создания специализированных пакетов прикладных программ (ППП).

На защиту яидпгуггя; 1. Комплекс оригинальных самосогласованных математических моделей систем со скрещенными полями прямой и обратной волны с разомкнутым и замкнутым электронным потоком. Данные модели предназначены для физического исследования нелинейного механизма взаимодействия в классических приборах М—типа (в том числе и обращенных), а также для расчета их выходных характеристик (макропараметров: кпд, коэффициента усиле.ния, анодного тока, катодных и анодных потерь и т.п.) в широком диапазоне изменения входных параметров (частоты, входной ВЧ мощности, анодного напряжения, магнитного поля, дисперсии, сопротивления связи и т.п.).

2. Результаты теоретических исследований особенностей нелинейного взаимодействия замкнутого и (или) разомкнутого электронного цотока с моно и полигармонической ВЧ волной, а также с. высшими пространственными гармониками, существенно расширяющие фундаментальные представления о физике процессов отраничения и насыщения усиления (в том числе и явления срыва усиления), многочастотного взаимодействия (усиление и генерация высших временных гармонических составляющих (дематрон, амплитрон), шггер и кроссмодуляционные эффекты в бигармоническом режиме).

3. Аналитические и квазианалитические модели (метод связанных тзолн) и результаты исследований (линейная теория) нетрадиционных приборов со скрещенными полями (системы типа "электронный поток 4- две ВЧ волны" (случай слабой связи ВЧ волн) п "два электронных потока 4- ВЧ волна").

4. Новые нетрадиционные схемы и конструкции усилительных и генераторных систем М—типа с распределенной эмиссией, а также результаты теоретических (нелинейная теория) и экспериментальных исследований, подтверждающие улучшение выходных характеристик данных систем по сравнению с классическими системами М-типа.

5. Методика «эффективной организации вычислительного эксперимента на базе построения проблемно—ориентированных ППП СТАРТ и САЛОН, сочетающих хорошо развитое-предметное и сервисное программное обеспечение (ПО) с применением интеллектуальных интерфейсов СИГМА (для ЭВМ типа ЕС 1066) и системы интерактивного моделирования SISED (для ПЭВМ гвщ IBM PC). •';•;■•;!■■:

Научная довпзна. . В диссертационной работе обобщена и решена крупная научная проблема повышения эффективности взаимодействия в системах М —типа. В результате:

1. Разработан комплекс оригинальных самосогласованных математических моделей классических и нетрадиционных усилительных и генераторных приборов М—типа. Его наиболее существенными отличиями являются; полнота представленных математических моделей всех основных модификаций магнет — ронных приборов (включая и, нетрадиционные) и единые методологические принципы построения данных моделей, ориентированные на использование высокоэффективных по скорости и точности расчетов численных методов и алгоритмов.

2. Проведено детальное комплексное исследование механизма нелинейного взаимодействия в классических магнетрошшх усилителях с разомкнутым (ЛБВМ, включая и их электронно", оптические системы (ЭОС), дем&трон) и замкнутым (амплигрон, УПВПД) электронным потоком в широком диапазоне изменения,, электрических (анодного напряжения, индукции магнитного поля), электродинамических (дисперсии, сопротивления связи) и

эмиссионных (тока пучка, максимального коэффициента вто -ричной эмиссии) параметров. Впервые проведен сравнительный анализ распределений дифференциальных параметров электронного потока (микропараметров: координат и скоростей частиц), а также выходных интегральных зависимостей (макропараметров) указанных приборов в статическом и динамическом режимах работы.

3. Предложены новые схемы и конструкции нетрадиционных магнетронных приборов, основу которых составляют системы типа "два электронных потока + ВЧ волна". Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали перспективность создания на их основе комбинированных усилителей и генераторов с улучшенными выходными параметрами.

4. Впервые аналитически (метод связанных волн) исследован процесс усиления в приборах с катодной ЗС (случай слабой связи между волнами анодной и катодной ЗС). Рассчитаны значения коэффициента усиления для разных типов дисперсии.

5. Выявлены общие закономерности механизма электронно — волнового взаимодействия в азимутально—симметричных системах типа "электронный поток + две ВЧ волны" (случай сильной связи между волнами). Обнаружен новый физический эффект, связанный

• с отсутствием режима карматронного возбуждения в приборах с сильносвязанными анодной и катодной ЗС и замкнутым электронным потоком. Применение данного эффекта открывает новые возможности и создает перспективу успешной реализации режима устойчивого управления работой усилителя с холодным вторичноэмиссиЬнным катодом с помощью входного ВЧ сигпала (режим самомодуляции).

6. Проведено. детальное исследование взаимодействия электронного потока с высшими пространственными гармониками ЗС (режим "поверхностной" волны). Впервые проанализирован механизм фазовой фокусировки при взаимодействии электронного потока с поверхностной волной, выявлена и покаОаиа зависимость выходных параметров прибора от величины сопротивления связи. Полученные результаты представляют не только теоретический

интерес, но и имеют практическую значимость при создании магнетронных усилителей в миллтдетровом диапазона длив-волн.

7. Дальнейшее развитие получила-метс^ика < анализа много— частотных режимов работы магнетронных усилителей и особенно усилителей с распределенной эмиссией 'и ошщщушм -потоком (амплитронов). Впервые проведен комплекс'исследовании с помощью многопериодной математической модели амплшрона, касающийся физических аспектов возбуждения > гармонических составляющих (2<о, Зеа и 4а>) в спектре выходного сигнала амплитронов, зависимости ровней данных »-гармоник - от. параметров электродинамической системы, . зпясенонных характеристик катода, электрического режича (р-аЗохы, ¡фазы амплитуды отраженных от нагрузки ВЧ сигналов.

8. Разработаны уникальные проблемно-рртеетшрованныэ системы интерактивного моделирования ББЕО (для* ПЭВМ типа" 1ВМ РС) и комплекс СИГМА (для ЭВМ типа ЕС 1066), ^включающие ППП СТАРТ и САЛОН, которые, в свою очереди, »обладают хорошо развитым функциональным и сервисным ПО. '"рикшеше данных ППП совместно с диалоговой подсистемой ювлявгса одной из эффективных форм организации вычислетелмюго'чфо — цесса, а также мощным методом теоретического исследования физических процессов в системах М — типа.

Таким образом в данной диссертационной работе -.предлагаются и развиваются основы ног-ого научного направления развития систем со скрещенными полями связанного с' созданием нетрадиционных усилительных и генераторных прибора М — типа, а также применением перспективных режим э их работы (режим само модуляции). ;

Практическая значимость. 1. , Разработанные матема— тические модели приборов М—типа, . система интерактивного моделирования БШЕИ и комплехсс СИГМА включающие ППП СТАРТ и САЛОН, а также предложенные перспективные схемы «п конструкция нетрадиционных приборов составляют идейную ™ проектную основу для проведения физических исследований с целью совершенствования конструкций существующих классических приборов (например, амплитронов) и создания промышленных образцов новых нетрадионных приборов М —типа.

2. Ряд практических результатов диссертации, касающихся процессов, протекающих в электронном потоке (в . том числе замкнутом) в статическом и динамическом режимах, эффектов

. вылета частиц на электроды (катод и анод), исследования взаимодействия электронного потока с высшими пространственными и временными гармониками и т.п., несмотря на то, что носят общетеоретичесий характер, в то же время расширяют и дополняют известные физические представления о электронно— волновых процессах, протекающих в приборах М —типа и могут оказаться полезными на этапе их проектирования.

3. Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс и используются в курсах "Автоматизированные методы проектирования электронных приборов" и "Моделирование в электронике", читаемых автором для студентов факультета электронной техники ХТУРЭ, а также нашли применение при выполнении ряд а НИР и НИОКР с предприятиями МЭП СССР, что подтверждается актами внедрения.

Дичшдй в клал автора. Основные положения и результаты диссертации получены автором самостоятельно. Часть работы, связанная с созданием математических моделей и проведением вычислительного и физического экспериментов осуществлялась с соавторами, фамилии которых приведены в списке' публикаций. В ' работах, которые опубликованы в соавторстве, используются результаты, полученные непосредственно автором.

Дддррбадия диссертации- Материалы диссертации докладывались на 23 Всесоюзных и Международных конференциях и семинарах, включая 1 Всесоюзные научные сессии: НТО РЭС им. А.С. Попова ( Москва, 1978 г.; Новосибирск, 1986 г., 1988 г., 1990 г.), межвузовские конференции по электронике СВЧ (Киев, 1979 г;; Минск, 1983 г.; Орджоникидзе, 1986 г.), Всесоюзный семинар "Физические процессы в приборах М—типа, проблемы их теории и машинного проектирования" ( Ленинград, 1979 г. ); Всесоюзную конференцию"Современные проблемы радиоэлектроники ,{ Москва, 1988 г.), Всесоюзную конференцию "Математическое и иммитационное моделирование в системах проектирования и управления " ( Чернигов, 1990 г.), Всесоюзную школу—семинар "Физика и применение микроволн" (Москва,

1991 г.), семинар по радиофизике и электронике молодых ученых и специалистов ( Харьков, 1986 г.), Крымскую конференцию и выставку "СВЧ — техника и спутниковый прием" (Севастополь, 1993 г., 1994 г., 1995 г., 1996 г.), 5th International Symposium on Recent Advances in Microwave Technology (Kia'v, 1995), Международную научно-техническую конференцию "Проблемы физической и биомедицинской электроники" (Киев, 1996 г.), а также КНТС МЭП СССР ( Москва, 1987 г.,1990 г.; Ростов —на-Дону, 1988 г.; Саратов, 1989 г.), и научные семинары ХИРЭ (ХТУРЭ), ХГУ, КПИ, ИРЭ HAH Украины и PK HAH Украины.

Публикации. Основное содержание диссертацпп опубликовано в 82 научных работах: 29 статьях, 26 отчетах о НИР, 23 докладах, 2 патентах и 1 авторском свидетельстве. .

Структура и обьем работы. Диссертационная работа включает в себя основной текст на 254 страницах (в том числе 16 таблиц), 63 страниц рисунков, списка литературы, содержащего 283 наименования, и 9 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и девяти приложений.

Во введении обосновывается необходимость и актуальность исследований по выбранному научному направлению. Приводятся факты, характеризующие современное состояние теории и практического применения систем со скрещенными полями. Формулируются цели и задачи данной работы, указываются основные научные положения и результаты • исследований, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена рассмотрению методологии и путям решения задачи взаимодействия потока заряженных частиц с замедленной электромагнитной волной применительно к системам со скрещенными полями. Приводится самосогласованная система уравнений, состоящая из уравнений ддя поля (система уравнений Максвелла) и уравнений движения за — ряженной среды в классической постановке задачи (уравнение Ньютона), а также анализируются возможные пути ее решения. В

качестве метода решения самосогласованной системы уравнений движения, возбуждения и Пуассона для расчета сил ПЗ выбирается метод крупных частиц. Сформулированы граничные и начальные условия применительно к различным системам М—типа. Приводятся возможные формы представления уравнений движения, а также анализируются различные методы их численного решения.

Созданы математические модели классических магнетрошшх усилителей и генераторов с учетом квазипериодического приближения: от лучевых приборов (ЛБВМ и ЛОВМ, включая их ЭОС) и магнетронных усилителей прямой волны с разомкнутым электронным потеком и распределенной эмиссией (дематрон) до магнетрошшх усилителей с азимутальной симметрией (обычной и обращенной конструкции) с замкнутым (амплитрон) и разомкнутым (SFD—усилитель, усилитель прямой волны с пространством дрейфа (УПВПД)) электронным потоком, а также многопериодная математическая модель амплитрона. Разработана методика исследования взаимодействия замкнутого электронного потока с монохроматической ВЧ волной (одночастотное приближение) с помощью математической модели, использующей квазипериодическое приближение.

Вторая глада диссертации посвящена исследованию процессов нелинейного взаимодействия в статическом и дина— ' мическом режимах работы систем магнетроиного типа с замкнутым (амплитрон) и разомкнутым {ЛБВМ, дематрон) электронным потоком.

Рассмотрены причины аномального поведения анодного тока и мощности обратной бомбардировки катода в докритическом режиме магнетронного диода. Показано, что электронная втулка имеет сложную трехслойную стуктуру, характер движения частиц в которой при переходе из одного слоя в ¿ругой изменяется от двухпоточного в прикатодном слое до квазибриллюэновского в синхронном слое. Результатом рассеивания частиц на локальных неоднородностях Квазистатического поля ПЗ является их вылет в область над электронной втулкой," последующее (влечение (60 + 65) Тс, где Тр — период-циклотронных колебаний) образование спиц ПЗ и появление анодного тока. Величина тока на анод зависит от электрического режима работы и достигает максимального значения

при анодном напряжении, близком к критическому иа = ( 0.8 + 0.9) икр . При этом максимум анодного тока совпадает с максимальными значениями объемной плотности заряда - и абсолютной величиной мощности.обратиой бомбардировки катода.

Моделирование динамических характеристик амплитронов и сравнение с результатами натурного эксперимента показало хорошее их совпадение в широком диапазоне изменения входных параметров (входной мощности, анодного напряжения и т.п.). Суммарная погрешность моделей, включая вычислительную погрешность (3-4 %), а также погрешность, обусловленную вводом исходных ограничений (двумерная постановка задачи, одноволновое и одночастотное приближения и т.п.), не превышает 10-13 %.

Рассмотрена физическая прпрода пороговых ограничений, приводящих к срыву усиления на рабочем виде -колебания амплитрона и обуславливающих ограничение коэффициента усиления. Показано, что существует минимальная входная амплитуда ВЧ волны, ниже которой сформировавшиеся спицы ПЗ в' области входа не удерживаются в тормозящей фазе волны и, ^следствии появившейся неустойчивости, смещаются в области ускоряющих фаз, обуславливая передачу энергии от ВЧ волны электронному потоку. При этом с ростом анодного напряжения и неизменной входной мощности электронный сгусТок опережает ВЧ волну, а с уменьшением — отстает. В обоих случаях спицы ПЗ в течение полного оборота пространства взаимодействия испытывают перегруппировку, что вызывает срыв анодного тока и усиления прибора в целом.

В случае взаимодействия разомкнутого электронного потока с прямой волной (ЛБВМ, дематрон) уменьшение входной амплитуды ниже порогового ее значения также приводит к срыву усиления, но причина данного срыва, как показали исследования, связана с усиливающимся влиянием поля ПЗ на механизм фазовой группировки электронного потока.-

Исследования вторнчноэмиссионных характеристик катода и процессов, сопровождающих вылет частиц на анод (энергетические и угловые распределения частиц) в рабочем диапазоне изменений анодного напряжения показывают, что распределение

частиц, вылетающих на катод в динамическом режиме, имеет глобальный максимум в области энергии 0 < W < (10 + 15) эВ (малоэнергетичные электроны), а также локальный максимум на восходящем участке кривой вторичной эмиссии ст=ст (W). Появление малоэнергетичных электронов и их количество связано с действием кулоновских сил п зависит от распределения поля ПЗ.

Всесторонне изучены угловые распределегаш частиц, которые вылетают на электроды ламп: катод и анод Определяя углы вылета

как at,a = arctg[(v,)kifl (v, )ka], где (vr><p)M - радиальная и тангенциальная составляющие скорости элекгронов в момент их вылета на электроды лампы, имеем, что для частиц, оседающих на катоде, углы вылета изменяются от —75 град до 2 град по отношению к нормали, проведенной к поверхности катода. Характер распределения NK=Ns(aK) зависит от электрического - режима работы. С ростом анодного напряжения при условиии, что Рпх = const увеличивается нелинейность процесса взаимодействия. Это выражается в появлении возвратного движения электронов (ак > 0). Углы вылета частиц на анод по отношению к нормали и точке вылета с ростом анодного напряжения в пределах рабочего участка В АХ уменьшается с 75+80 град для низковольтной отсечки ВАХ до 70 град в области высоковольтной отсечки ВАХ.

Проанализирована работа магнетронных усилителей прямой волны с разомкнутым электронным потоком (ЛБВМ, дематрон). Особое внимание уделяется исследованию процесса формирования. ленточного потока в ЭОС магнетронного типа. Показано, что изменяя распределение квазистатического поля (например, изменяя1 потенциал отражающего электрода (ОТ) ЭОС) можно варьировать токоотбором с катода. При этом диапазон и величина тока,' снимаемого с катода, ограничена, с одной стороны, наступлением режима ограничения эмиссии ПЗ (при малых потенциалах на ОТ. ЭОС), а с другой — либо величиной тока насыщения, определяемого температурой разогрева катода, либо установлением режима, при котором электронный'пучок становится неустойчивым, т.е. нарушается ламинарный характер его движения с переходом в двухпоточное состояние, что приводит к неконтролируемому вылету частиц на электроды ЭОС.

Таким образом во второй главе изучены основные за к о — померности работы классических магнетрсшн.тх приборов с ра-зомкдутым (ЛВВМ, дематрон) п замкнутым (амилхггрэн) элек— тронным потоком. Проанализирован ч широкий круг физических явлений, лежащих в основе работы приборов со схфещешгьхгш полями, и исследование которых позволяет ответить на многие вопросы, связанные с улучшением нх выходных параметров (например, повышением коэффициента усиления н клд).

В третьей главе изложены результаты теоретического исследосапия путей повышенна эффективности взаимодействия (физическая оптимизация) в классических yci^\:rr?,"rr ¡vi—insа дециметрового (дм), сантиметрового (см) и миллиметрового (mi.i> диапазонов длин воли.

Проанализировано влияние величины сопротивления ' связи на выходные характеристики (макропараметры) амплитронов дм— диапазона. Возможное значение сопротивления связи, рассчитанное относительно уровня ЗС и соответствующее условию, когда выходные характеристики амнлитрояа оптимальны, составляет десятки Ом и лежит в диапазоне 45 Ом < R<.B < 110 Ом. С ростом сопротивления связи ВАХ смещается в область больших анодных токов. При значении сопротивления связи, равном 72 Ом, Лиффсренцильное сопротивление прибора минимально (R^.,, = 250 Ом), что соответствует максимальному динамическому диапазону изменения анодного тока (А1а = 1.Ь5 А) при условии, что Ряя = const. Максимальное усиление прибора, полученное в приближении отсутствия потерь в ЗС превышает 24 дБ (в рабочей точке ВАХ и фиксированной частоте входного сигнала).

Качественно рассмотрена диапазонная характеристика ам— плитрона. Показано, что выбирая зависимость R^g = Rca(f) можно управлять как шириной зоны рабочих токов, так и рабочей полосой частот. При этом рабочая полоса усилителя должна соответствовать участку дисперсионной характеристики, на котором сопротивление связи имеет тенденцию к уменьшению с ростом частоты. Fla конкретном примере показано, что учет изменения сопротивления связи в рабочем диапазоне частот от R<.H (fH ) — 60 Ом до RfB (f„ ) = 40 Ом приводит к росту более, чем в 1.5 раза зоны рабочих анодных токов усилителя.

Исследованы процессы вторичноэлектронного размножения в классических системах М—типа (в том числе и обращенных). Преобладающая часть электронов, вылетающих на катод являются низкознергетичными с энергией менее 10 эВ, при которой 0 < 1. Доля "рабочих" электронов, энергия которых достаточна для поддержания вторичной эмиссии, когда с > 1, составляет от 10 до 30 процентов от общего количества малоэнергетичных частиц. Наличие данных электронов в значительной степени определяется тормозящим действием поля ПЗ, а в режиме малых входных мощностей исключительно суммарными силами статических полей и поля обьемного заряда.

ч Особый интерес представляет энергетическое распределение первичных электронов 1^к1а=Нк а(Ш) в обращенных системах, где данные распределения соответствуют нисходящей ветви кривой вторичной эмиссии ст= сг (Ш), когда > Штах . В результате средний коэффициент вторичной эмиссии с ростом амплитуды ВЧ поля уменьшается. Это необходимо учитывать, выбирая материал для катода при проектировании магнетронных приборов обращенного типа.

Увеличение токоотбора с катода за счет роста тока вторичной эмиссии (например, благодаря увеличению значения а и (или) выбору кривой с — а с более крутым изменением ее восходящей ветви на участке Ш < \Л^тах) приводит к уменьшению времени установления стационарного состояния (например, в 1.5 раза при увёличении значения сттах в 1.2 раза) и практически не влияет на значения макропараметров (кпд и коэффициента усиления) в установившемся режиме. Объясняется это существованием режима ограничения эмиссии ПЗ, когда рост токоотбора с катода при заданном электрическом режиме приводит к более быстрому накоплению обьемного заряда во втулке и установлению режима ограничения, который, в свою очередь, вызывает уменьшение- (или полное прекращение) дальнейшей эмиссии. В тоже время увеличение токоотбора с катода повышает надежность запуска ВЧ колебаний в усилителе и снижает вероятность срыва • колебаний как внутри импульса анодного напряжения, так и от импульса к импульсу.

Проведены исследотаетгя влияния неоднородных в радиальном и (или) азимутальном направлениях магнитеых полей на процессы взаимодействия рабочего вида колебания амплитрона с электронным потоком. Неоднородность магнитного иол« в радиальном и азимутальном ¡направлениях определяется из соотношения

I, _ им" ®'Я1в') . /лч

- « - I1)

о.

где 8ша1~ максимальная величина магнитного поля в. пространстве взаимодействия; ВШ{П — миигмял'ьная величина магнитного поля; В0—индукция магнитного ¡поля, удовлетворяющая условию синхронизма на уровне среднего' радиуса. Показано, что в случае применения радиально—неоднородного магнитного поля (к а = 0.1) имеет место 'параллельное смещение ВАХ лампы в высоковольтную область с одновременным нез — начитанным (не более 1 дБ) повышением «оэффицг чята усиления в широком диапазоне входных -мощностей. Применение локально — неоднородного магнитного поля . =0.2) я азимутальной области 5.0 рад < ф< 6.28 рад практически не влияет на энергетические характеристики прибора, уменьшая дифференциальное сопротивление лампы и увеличивая динамическую зону рабочих токов в 1.8 раза.

Суммируя результаты проведенных псгледовшшй мо^.но отметить, что применительно к классической конструкции амплитрона решение вопроса повышения Коэффиц эта усиления в полосе рабочих частот представляет собой 'Сложную и противоречивую задачу. Полученные результаты оставляют определенную долю оптимизма для ее успешного решения, ((хотя .рост усиления в этом случае может составить не более 2—3 ДВ). С -одной стороны это связано с физической оптимизацией лампы (выбор типа ЗС, общего количества ячеек, рабочей зоны и кривизны пространства взаимодействия и т.п.). а с другой — определенный положительный эффект возможен за счет применения [разного-рода физических неоднородностей, к числу которых эдшкно отнести неоднородное статическое магнитное поле, <а тткж

программируемый выбор закона изменения сопротивления связи в рабочей полосе частот.

Проанализированы возможные пути решения задачи создания магнетронного усилителя в коротковолновой части мм — диапазона. В качестве режима работы был выбран режим взаимодействия с первой отрицательной пространственной гармоникой (режим пространственной гармоники). Пользуясь методикой машинного эксперимента исследован процесс фазовой группировки электронного потока для разных видов колебаний. Показано, что стационарное состояние электронного потока при взаимодействий * с поверхностной волной ЗС является двух — поточным. Процесс фазировки сопровождается радиальными колебаниями плотности электронного потока с периодом равным циклотронному периоду. Анализ изменения плотности ПЗ указывает на ее увеличение с ростом номера вида колебания.

Рассмотрен процесс вторичноэлектронного размножения частиц. С ростом номера вида колебания возрастает "нагрузка" на катод, связанная с увеличением токоотбора за счет вторичной эмиссии. Исследованы энергетическое и угловое распределения частиц, вылетающих на катод и анод. Максимум распределения углов вылета частиц находится в области ак = — (14+18) град для катода и аа = (75+82) град для анода при изменении анодного напряжения в пределах рабочего диапазона для данного ' вида колебания. При этом основополагающая роль, определяющая уровень потерь на катоде и аноде связана в первом случае с радиальной составляющей скорости частиц, а во -1 втором — с азимутальной. '

Проведено исследование катодных и анодных потерь, усредненная за ВЧ период величина которых определяется из выражения •

м т -= 2ТШ{ ' (2)

где Ум - \ Юк.« + (у9)к.а ; т~ 2п/со ; А1 - шаг решения; 1ЯМ

— число частиц, вылетающие на катод (анод) за один период- М

— масса крупной частицы. Расчеты показывают, что в приборах

мм—диапазона суммарная мощность потерь на катоде и аноде составляет более 90 % мощности, затрачиваемой источником питания. При этом существует слабая зависимость катодных и анодных потерь от величины входной мощности. С ростом анодного напряжения наблюдается незначительное их увеличение.

Показана принципиальная возможность создания машет-роппьтх усилителей б коротковолновой части мм—диапазона. Построены вольтамиериые и амплитудные теоретические ха-усилителя с замкнутым потоком (амплшрона), а также получена эднисимостт. выходшг: параметров от величины сопротивления связи, Основпая сложность практической реализации заключается в обеспечении требуемой величины сопротивлений связи используемой ЗС (не менее 6 — 8 Ом) на рабочем виде колебания усилителя. Среди возможных альтернативных схем магнетронных усилителей для работы в мм—диапазоне можно отметить применение схемы БРО усилителя как обычной, так и обращенной конструкции.

В четвертой главе рассматриваются физические процессы, способствующие возникновению (генерации) гармонических составляющих основного сигнала го в системах с распределенной эмиссией прямой и обратной волны (дематрон, пмплитрон), определяется зависимость их уровней от электрического режима работы (анодного напряжения и магнитного поля), параметров электродинамической структуры (дисперсии, величины сопротивления связи на частотах гармоник), эмиссионых характеристик катода (величины максимального коэффициента вторичной эмиссии 0тах), степени неоднородности статического магнитного поля в азимутальном и радиальном . направлениях, условий согласования ЗС с выходными устройствами и т.п. Кроме этого исследуется режим двухчастотного усиления с одновременным анализом нелинейных явлений, связанных с наличием конкуренции между сигналами (кросс — модуляция) и с обогащением выходного спектра колебаниями, частоты которых являются комбинациями частот исходных сигналов (интермодуляция). При этом основное внимание уделяется как вопросам анализа причин образования ПК в выходном спектре, так и определению путей их уменьшения.

Рассмотрение нелинейного взаимодействия электронного потока с полигармонической ВЧ волной предполагает применение самосогласованной системы интегро- дифференциальных уравнений движения, возбуждения и уравнения Пуассона. Решение системы уравнений движения и Пуассона проводится на фундаментальном периоде, а уравнение возбуждения решается для каждой ВЧ волны (метод фундаментальной частоты).

Проведен анализ механизма фазовой группировки электронного потока в поле монохроматической ВЧ волны. Показано, что в потоке образуются гармоники переменного заряда, максимум которых соответствует моменту вылета частиц на анод Появление в потоке гармонических составляющих основного колебания способствует возбуждению в пространстве взаимодействия соответствующих ВЧ полей на частотах гармоник.

Рассмотрение возбуждения высших гармонических составляющих (2ю и Зю) в приборах прямой волны с разомкнутым электронным потоком (дематрон) в приближении отсутствия дисперсии и изменения сопротивления связи от частоты показывает, что генерация второй гармоники 2<а при одновременном усилении основного сигнала приводит к уменьшению кпд и коэффициента усиления основного сигнала, а также обуславливает изменение распределения фазы данного сигнала вдоль пространства взаимодействия. Учет третьей гармоники незначительно ухудшает процесс взаимодействия, .что находит свое отражение В дальнейшем ухудшении макропараметров прибора и увеличении числа ПК. Влияние ВЧ полей высших гармонических составляющих (2<в и 3<в) на процесс фазовой группировки незначительно и, в основном, проявляется в области спиц ПЗ, прилегающих к поверхности ЗС. При этом траектория частиц изменяется таким образом, что замедляется их .вылет на поверхность анода. Как показывает анализ, данный процесс нелинеен, что видно из характера изменения анодного тока и ВЧ мощности.

Проведено исследование влияния электродинамических характеристик (сопротивления связи и дисперсии) на мак— ропараметры дематрона. При этом изменение фазовых скоростей волн на частотах ПК оценивается путем ввода параметра расстройки Ъ^ — (Ув — Ут) Ут , где у„п — фазовая скорость 5-ой прос —

тра нетленной гармонике на частоте пю. Расчеты показывакуг, что для улучшения эффективности взаимодействия и уменьшения уровня ПК необходимо, во-первых, уменьшать сопротивление связи на частотах гармоник, а, во—вторых, выбирать их постоянные распространения таким образом, чтобы исключить синхронизм между потоком и ВЧ волной на частотах ПК, Так, например, уменьшение сопротивления связи в 2 раза на второй и в 3 раза на третьей гармониках при условии отсутствия дисперсии приводит к умепыпению уровней гармоник: второй на 12 дБ и третьей на 19 дБ, Учет дисперсии ЗС ( Ь, « 0; - 0,0125 < Ь2 < 0,0125 п -0,025 < Ь3 < 0,025) позволяет дополнительно снизить уровень агорой гармоники на 11+13 дБ, а уровень третьей — на 16+24 др.

Проведены исследования нелинейного механизма взаимодействия замкнутого электронного потока с монохроматической ВЧ волной в амплитроне. Теоретическое исследование процессов генерации в лампах обратной волны обладает особенностью, связанной с тем, что движение электронного потока происходит навстречу распространению электромагнитной энергии. В силу этого при моделировании возбуждения гармоник в амплигроне процесс взаимодействия необходимо рассматривать на всей электрической длине усилителя (многопериодиая модель).

Рассчитаны уровни высших временных гармоник (2го , Зе> и 4в») в установившемся режиме амплитрона при условии, что сопротивление связи неизменно, а постоянные распрос — транения волн на частотах гармоник, удовлетворяют условию, что уп = п у (дисперсия ЗС отсутствует), где у„ 2уп . Уровни

гармоник, соответственно, равны - 16 дБ, - 22 дБ и — 28 дБ. Рассмотрено также распределение их амплитуд и набега фах по длине пространства взаимодействия. Показано, что увеличение входной мощности основного сигнала приводит к росту уровней третьей и четвертой гармоник. В то же время учитывач, что основной вклад в уровень ПК вносит вторая гармоника, а ее уровень при изменении входной мощности основного, сигнала практически не изменяется, позволяет сделать вывод ''-о слабом влиянии изменения входной мощности на уровни;, высших гармонических составляющих.

Исследована зависимость уровня гармоник от, электрического режима амплитрона (изменение анодного напряжения и магнитной индукции при условии, что Рвх = const). Максимальный уровень гармоник наблюдается при таком анодном напряжении, когда выполняется условие синхронного движения электронного потока и ВЧ волн, т.е. когда Ue = Uc , где Uc.-напряжение синхронизма. Для обеспечения работы с малым уровнем гармоник целесообразно выбирать режим по анодному напряжению, соответствующий краям вольтамперной характеристики (ВАХ). При этом предпочтительнее выбирать режим при U, > Uc , так как выходные параметры прибора (кпд и коэффициент усиления) в этом случае выше. С другой стороны полагая, что U„ =* Uc и изменяя индукцию статического магнитного поля в таких же пределах как и анодное напряжение также можно снизить уровни гармоник. При этом относительная величина уменьшения уровней гармоник одинакова для случаев изменения как анодного напряжения, так и индукции магнитного поля.

Проведены исследования влияния эмиссионных параметров катода (значения максимального коэффициента вторичной эмиссии ®т*х) на уровни гармоник в выходном спектре амплитрона. Увеличение токоотбора с катода способствует росту как основного сигнала, так и уровней его гармоник. Так, например, увеличение токоотбора в 1,1 раза улучшает кпд на 10 % и коэффициента усиления на 1+2 дБ. Одновременно растут уровни гармоник: второй на 2*3 дБ, третьей и четвертой на 5+7 дБ. При этом на (3+4) Тс сокращается время установления стационарного состояния. В целом необходимо отметить, что в системах с распределенной эмиссией управление токоотбором г. катода "саморегулируется" режимом ограничения эмиссии полем ПЗ. Поэтому прн неизменном электрическом рёжиме применение вторичноэмиссионного катода с более высоким значением стшах не дает значительного увеличения токоотбора, но зато позволяет сократить время установления стационарного состояния электронного облака. Эхо совпадает с выводами, полученными с помощью более простых (квазипериодических) моделей амплитрона.

Проведено исследование влияния неоднородности статического магнитного поля на уровни гармоник. При этом

рассматриваются следующие виды неоднородностей: линейное изменение индукции магнитного поля в радиальном В0(г) и азимутальном В0(<?) направлениях, величина изменения которых характеризуется коэффициентами неоднородности определяемых из выражения (1). Показано, что введение убывающей по линейному закону индукции магшпного поля от катода к аноду па 10 % (&R — —0,1} позволяет улучшить кпд прибора на 12-14 % при такой же величине мощности сигнала на ныходе усилителя за счет "сжатия" электронной втулки и увеличения эффективной высоты пространства взаимодействия, на которой происходит группировка спиц п отбор энергий от электронов. Уровни гармоник при этом незначительно увеличиваются (в основном — третья и четвертая), а потери на аноде уменьшаются примерно на 17 % и на катод е — на 10 %. . . ✓

Линейное увеличение индукции магнитного поля на 10 % (k r = 0.1) благоприятно для минимизации уровня гармоник, которые снижаются: вторая — на 5 дБ, третья — на 15 дБ и четвертая па 30 дБ. В данном случае уменьшаются и потери на электродах (на катоде па 8%, на аноде — на 5 %). Однако при этом кпд основного сигнала уменьшается на 7+8 % и незначительно (пе более, чем на 0.3 дБ) снижается коэффициент усиления.

Существенно влияет па процесс взаимодействия изменение статического поля по азимуту. Так, например, линейное царастатте индукции магнитного поля от входа к выходу па 10 % = 0.1) ■ позволяет увеличить кпд амплитрона на 6: 8 % при уменьшении усиления на 0.5+0.7 дБ (в случае работы в высоковольтной области ВАХ). Уровни гармоник при этом значительно снижаются, особенно — третьей н четвертой. Потери на электродах также уменьшаются, на аноде на 20+25 %, на катоде на 10;-15 %.

Линейное убывание индукции магнитного поля от ВЧ входа црпбора к выходу на 10 % (к,, = -0.1) приводит к увеличению кпд на Юь 12 % и усиления на 2,5+3 дБ (в низковольтной области ВАХ). Однако в этом случае резко возрастают уровни гармоник.

Рассмотрено влияние рассогласования нагрузки да уровни гармоник. Увеличение 'модуля коэффициента отражения на гармониках в 1.4 раза приводит к понижению уровней гармоник: второй на 23.8%, третьей - 23.5% и четвертой -; 32.8% по от-

ношению к их максимальным уровням. Максимальное влияние отраженных волн проявляется случае, когда фаза их отражения равна п (противофазное распределение суммарного поля).

Рассмотрен физический механизм интермодуляционных колебаний в случае наличия в пространстве взаимодействия амплтрона .двух' сигналов с частотами юв, = 10® и е>нч= .9®. Показано, чю возникновение колебаний па комбинационной частоте ®к,= 2©н, — <ввч соответствует моменгу вылета частиц на ЗС. Интенсивность данного колебания зависит от соотношения входных амплитуд сигналов <ав, и <а„, .

Проведено исследование конкуренции двух сигналов: основного <ов1 = 10ю н сигнала — помехи о>п, = 9ю в усилителе обратной волны с замкнутым электронным потоком (амплитрон). При изменении отношений входных мощностей данных сигналов в диапазоне — 7 дБ < (Р9. / Р10в )< 4 дБ и неизменной частотной расстройке имеет место наиболее сильное взаимное их влияние друг на друга, вследствии чего наблюдаются значительные амплитудные и фазовые искажения усиливаемых сигналов.

Пятая глава диссертации посвящена исследованию электронно — волновых процессов в нетрадиционных системах со скрещенными полями: "два электронных потока + ВЧ волна" и 'электронуый ноток + две ВЧ волны" (случай слабой связи между ВЧ волнами) (линейное приближение). Проведение данных исследований обусловлено необходимостью рассмотрения одной из важных проблем современной теории усилителей М—типа — проблемы увеличения коэффициента усиления.

Совершенствование систем со скрещенным« полями включает не только углубление исследования традиционных (классических) систем со скрещенными полями типа "электронный поток ВЧ волна", но также предполагает поиск и создание новых более сложных систем, которые условно можно отнести к нетрадиционным, В качестве таких систем рас — сматриьаются системы: "два электронных потока + ВЧ волна" и "электронный поток + .две ВЧ волны". При этом их возможности в значительной степени зависят от условий ввода и формирования электронных потоков. По этому признаку различаются системы с разомкнутым и замкнутым потоком. К тому же во втором случае

важным и принципиальным является вопрос о величине связи между волнами, распространяющимися в связанных катодной и анодной электродинамических структурах (случай сильной п слабой связи). .

Для более ясного понимания и осмысления всех особенностей, присущих электронному механизму взаимодействия в нетрадиционных системах, необходимы последовательные шаги, позволяющие углубить понимание "тонких" физических закономерностей, свойственные такому взаимодействию. Подробный теоретический анализ целесообразно начать с рассмотрения процессов взаимодействия в нетрадиционных системах в линейном приближении (теория малого сигнала).

На рис. 1 представлены различные схемы усиления: параллельная (а), последовательная (б) и смешанная (последовательно—параллельная) (в), в системе типа "два электронных потока + ВЧ волна". Особенность взаимодействия в такой системе заключается в том, что поток в пространстве 1 взаимодействует с основной 5=0 (обратной) волной, а поток в области 2 — с первой высшей к =4-1 (прямой) волной ЗС. Выражения для коэффициента усиления последовательной и параллельной схем усиления имеют вид

. р(0) + 19

(3)

где Ь = + ; и Ь2 —длины пространств взаимодействия 1 и 2.

Р(Ь)

АРв , АР+,

(4)

где Д Р0= Р0(Ц ~ Ро(0) п АР^Р-мЦ.) -Р+,(0) - приращения ВЧ мощности от взаимодействия электронного потока с основной (5 =0) и с первой высшей (.ч =4-1) волнами, соответственно. Из анализа представленных выражений следует, что для увеличения коэффициента усиления наиболее перспективной является последовательная схема. Смешанная схема, представленная на рис. 1, в , сохраняет преимущества последовательной схемы,

Саешд магнотрошшя усклотолой

]

—"*~vip 1 t* ®в

р^ 1шишшиши1ш щштшжт .

--V? -»~Vn> II |гг ®В

а)

_РВЫН I ® ®

р^ I LiJLnJLnJlAflJTJLsB« 1ЛППШГ1___Г

V-.-- -„ i

<J)

£ —« J Б <8>в

гишишиишшигА^

1ППППППШИПЛГШЛГ

(в ®5

а > i Эмиссия ослаблена (о < 1)

в)

Рис. 1

но позволяет ее упростшь, заменяя разрыв ЗС разрывом электронных потоков (участки с а > 1 и а < 1).

Для исследования взаимодействия в. системах "электронный ноток + две ВЧ волны" (случай слабой связи между ВЧ волнами, распространяющихся в анодной и катодной ЗС) воспользуемся системой дифференциальны?: уравнений, . которая 2 форме нормальных волн имеет вид

- -]СНАЦ - С,„Лк , 1-1,2,3.....Г-Г, (5)

где С{1 — постоянные распространения волн; Сш — коэффициенты связи между I—ой в к—ой нормальными волнами ( 1 к); N — количество связанных волн. Пренебрегая взаимодействием основной волны линии передач (постоянная распространения См =Эо ) с быстрой (С55 = ре— рс , где рс~ юс/у0 — постоянная распространения циклотронных золя) п медленной (СРб — ре4- рс ) циклотронными волнами, а также полагая, что имеет место идеальное согласование линии передач с входными п выходными устройствами (С2з~0). получаем электронно —волновую систему, в которой распространяется четыре волны (М — 4): две волны в электронном потоке (нарастающая С33 = Р„ + ] р8 н затухающая Си — ре—]рз , где ре = со - постоянная распространения невозмущенного электронного потока) и две волны в линиях передач (одна основная волна в анодной ЗС (постоянная распространения р0я) и одна — в катодной ЗС (постоянная распространения р0к).

Нетривиальное решение системы дифференциальных уравнений (5) позволяет получить дисперсионное уравнение для комплексных постоянных распространения нормальных воли 8 системе со слабосвязанными анодной п катодной ЗС в виде

- п5(Ро - г) (ро - г) + РЖ - гмра - пб' + (р*0 - г) у

(в)

*(Р. - Г)0йав2 + (Р5 - Г)(РЗ - Г)(Р8)?0« = о.

Используя полное решение исходной системы уравнений (5), а также определяя корни дисперсионного уравнения (б) и выражения для начальных амплитуд парциальных волн из начальных условий (применительно к системам прямой и обратной волны), вычисляем коэффициент усиления нетрадиционной системы с катодным способом возбуждения в случае слабой связи между волнами и произвольным характером дисперсии анодной и катодной ЗС. Показано, что для увеличения коэффициента усиления (по сравнению с классической системой М типа), а также расширения зоны усиления по анодному напряжению необходимо применять анодную и катодную ЗС с положительной дисперсией (прямая волна, D,2 > 0 и Dk2 > 0). При этом максимум коэффициента усиления соответствует условию "холодного" синхронизма, когда Ьа » 0 и bk «= 0.

С другой стороны установлено, что ввод дополнительного сигнала в катодную ЗС усиливает интерференционные явления в пространстве взаимодействия прибора. Это выражается в немонотонном изменении коэффициента усиления в пределах рабочего диапазона анодного напряжения.

В шестой главе рассматриваются вопросы нелинейного взаимодействия в нетрадиционных приборах: комбинированном магнетрошюм усилителе и усилителе, работающем в режиме самомодуляции (случай сильной связи). Нелинейный анализ предполагает исследование предельных характеристик и параметров данных ламп в режиме насыщения. В качестве модели комбинированного магнетронного усилителя рассмотрена азиму — тально—симметричная последовательно — параллельная (смешанная) схема усиления, основу которой составляет система "два электронных потока + ВЧ волна".

Исследованы процессы вторичноэлектронного размножения частиц в прикатодных областях внутреннего (обычного) и внешнего (обращенного) каскадов комбинированного усилителя. Показано, что процесс размножения частиц протекает, соответственно, на восходящей и нисходящей ветвях кривой вторичной эмиссии а-а (W). В первом случае (внутренний каскад) 60 % всех первичных частиц, вылетающих на катод являются малоэнергетичными, т.е. их энергия вылета не превышает энергию первого критического

потенциала для выбранного типа катода и заданной кривой сг=а (Щ (в частности, для Р(1Ва катода имеем, что \У1 = 19.2 эВ). Для обращенной системы внешнего каскада максимум распределения первичных частиц соответствует области второго крзггического потенциала \У2, которая равна 2420 эВ. Большая энергия вылета частиц на катод в системах обращенного типа обуславливает и значительный уровень катодных потерь, более чем на порядок превышающий уровень анодных потерь.

Проведены теоретические расчеты амплитудных характеристик внутреннего 'п внешнего хасиадоя, а также комбинированного усилителя в целом. При этом электронный кпд комбинированного усилителя определяется как

_ АР _

~ («и» + 1?и«) ' (7)

где Л Р — суммарное приращение ВЧ мощности усилителя, (I,1 иа') и 0апивн) — мощности потерь источников питания внутреннего и внешнего каскадов. Анализ показывает, что предельные значения коэффициента усиления и кпд прибора значительно превышают аналогичные значения для отдельных его каскадов. Так, например, для случая, когда Рвх = 0.4 кВт коэффициент усиления и кпд комбинированного усилителя, соответственно, в 1.43 раза и 1,25 раза превышают значения данных, параметров внутреннего каскада, а также в 2.35 раза и 5.54 раза аналогичные параметры внешнего каскада. При этом средние значения энергетических параметров комбинированного усилителя при изменении уровня входной мощности в интервале 0.4 кВт < РП1 < 1.0 кВт равны 20.3 дБ и 61.7 %.

Рассмотрена азимутально—симметричная система М-типа с сильносвязашшми анодной и катодной ЗС. Моделирование нелинейных процессов в такой системе имеет особенность, связанную с представлением распределения суммарного ВЧ поля в пространстве вхаимодействия. В общем случае для составляющих ВЧ поля имеем, что

Gr = £ I [F.'n(f,„)," Sill Ф," + F«n(f«o)r sin ФХ1

II «

„ __ (8)

s = Z X [F;n(f.„)' cos Ф»п + Fk(U$ Sin Фк].

где ФДк = ф.п + + Ф«к; F'¿кИ & J"nk - нормализованная амплитуда и фаза "горячей" ВЧ волны в анодной и катодной ЗС. Как видно, в пространстве взаимодействия сильносвязанных ЗС (случай одинаковых ЗС) возможно возбуждение как синфазного foak=*0) , так и противофазного (9^=11) видов колебаний. Показано, что процесс взаимодействии замкнутого электронного потока с синфазным видом протекает устойчиво при кпд более 50 % и коэффициенте усиления более 10 дБ. . Аналогичное взаимодействие потока с противофазным видом колебания приводит к фазовой расфокусировке потока, следствием которой является срыв усиления в приборе (срыв анодного тока). Установлено, что для преимущественного возбуждения синфазного или противофазного видов следует применять либо внешние устройства (например, фазовращатель на входе ЗС), либо использовать ассиметрию связанных ЗС (например, сдвигая их друг относительно друга на расстояние, равное половине пространственного периода). Учитывая, что эффективность взаимодействия данных видов с электронным потоком различна, можно использовать этот факт при реализации режима самомодуляции в приборах с замкнутым электронным потоком, обеспечивая устойчивое усиление при условии поданного на вход ВЧ импульса (взаимодействия с синфазным видом) и подавляя возможную паразитную генерацию в паузах ВЧ импульсов (взаимодействие с противофазным видом). В последнем случае подавление межимпульсной паразитной генерации осуществляется без применения специальных дополнительных электродов "гашения", что, с одной стороны, упрощает конструкцию прибора и снижает потери энергии, связанные с ростом токо — перехвата, а, с другой — позволяет обойтись без дополнительных источников питания.

Таким образом в шестой главе рассмотрены особенности нелинейного взаимодействия в нетрадиционных приборах, про —

ведены теоретические исследования и практически реализованы новые подходы для решения проблемы улучшения параметров и режимов работы приборов М — типа (увеличение коэффициента усиления, режим само модуляции).

Седьмая глава посвящена вопросам практической pea — лизации полученных результатов как в плане создания перспективных схем и конструкций магнетронкых усилителей и генераторов , так и в плане совершенствования вычислительного эксперимента, связанного с разработкой проблемно — ориен-тированных моделирующих систем и комплексов с хорошо развитым функциональным и сервисным ПО.

Проведена экспериментальная проверка полученпыг: теоретических результатов. Создан макет комбинированного маг — нетронного усилителя с замкнутым электронным потоком с повышенным коэффициентом усиления (более 20 дБ) при значениях кпд не более 30 — 35 % . Как показал анализ экспериментальной лампы, столь низкий кпд объясняется большим током на ее торцы, »по связано с недостатками конструкции внешнего обращенного каскада.

Рассмотрены пути совершенствования и развития конструкции комбинированного усилителя. Предлагается схема двухрежимного магнетронного генератора, позволяющего осуществить одновремено генерацию двух сигналов с разным уровнем выходной импульсной мощности, что представляет практический интерес при создании современных многофункциональных и многоканальных РАС.

Разработана конструкция магнетронного усилителя (амплитрона) с сильносвязанными ЗС на катоде и аноде и замкнутым электронным потоком, в котором реализуется режим самомодуляции. При этом обеспечивалась устойчивая работа лампы с коэффициентом усиления более 10 дБ и кпд не менее 45 % в полосе частот + 3 %.

Рассмотрены вопросы практического применение разработанного ПО. Создание проблемно — ориентированные система интерактивного моделирования электронных приборов СВЧ SISED для ПЭВМ типа IBM PC с ОС MS DOS + WINDOWS 3.1 или WINDOWS 95 и комплекс СИГМА для ЭВМ. серии ЕС с ОС VM/SP,

включающие ППП СТАРТ и САЛОН, применяются в учебном процессе и научной работе при проведении физических исследований в системах со скрещенными полями.

В заключении приведены основные результаты:

1. Созданы математические модели и проведено моделирование нелинейных процессов в классических приборах М — типа прямой и обратной волны с разомкнутым {ЛБВМ, в том числе и ее ЭОС, дематрон) и замкнутым (амплнтрон, УПВПД, SFD — усилитель) электронным потоком;

— проведено теоретическое исследование повышения эффективности взаимодействия электронного потока с ВЧ волной (в том числе с учетом высших гармонических составляющих) в классических системах М—типа.

2. Предложены схемы и конструкции новых нетрадиционных приборов М—типа, проведено моделирование (как в линейном приближении, так и нелинейных явлений) и экспериментальное исследование физических процессов в данных приборах. Теоретические и экспериментальные исследования направлены на понимание особенностей механизма увеличения коэффициента усиления,' а также использование прогрессивных режимов в данных приборгос (режим самомодуляции);

3. Разработана методика организации вычислительного эксперимента на базе проблемно—ориентированных системы интерактивного моделирования S1SED и комплекса СИГМА, включающие специализированные ППП СТАРТ и САЛОН.

Общий итог работы состоит в создании нового научного направления развития систем со скрещенными полями и связанного с нетрадиционными усилительными и генераторными приборами М— типа. Дальнейшее развитие исследований в данном направлении представляется перспективным по пути более углубленного изучения особенностей физических процессов в нетрадиционных приборах (особенно в аксиальном направлении) и практической реализации уже созданных схем и конструкций приборов.

Приложения включают результаты, которые уточняют н дополняют основной материал, делая его более ясным для понимания.

Основные результаты диссертации опубликованы в следу —

ющих работах:

1. Чурюмов Г.И. Расчет стационарных рабочих характеристик амплитрона методом численного моделирования. — Электронная техника. Сер.1.Электроника СВЧ, 1987, вып. 7(401), с. 38-43.

2. Чурюмов Г.И. Моделирование процессов электронной бомбардировки катода и анода и амплнтронах. — Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1993, вып. 3 (457), с.23-26.

3. Чурюмов Г.И. К анализу срыва усиления в амплитроне, — Радиотехника и электроника, 1988, т.ЗЗ, вып.6, с.1237 —1240.

4. Чурюмов Г.И. Физическая оптимизация процесса преобразования энергии в приборах М—типа. - Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника, 1995, т. 37, вып. 10, с. 85—93.

5. Чурюмов Г.И. О неустойчивости электронного облака в докритическом режиме магнетронного диода. — Радиотехника и электроника, 1996, т. 41, № 11, с. 1837-1841.

6. Васянович A.B., Чурюмов Г.И., Васильев С.В. Влияние режима работы амплитрона на уровни гармоник.. — Известия вузов. Радиоэлектроника, 1991, т. 34, 10, с.81 -34.

7. Васянович A.B., Чурюмов Г.И. Влияние радиальной и азимутальной пеоднородносгей магнитного поля на выходные характеристики амплитрона. — Радиотехника и электроника, 1992, т.37, вып.2, с,355-358.

8. Чурюмов Г.И., Сергеев Г.И. Исследование комбинирован — ного

усилителя М—типа, — Известия вузов. Радиоэлектроника, 1996, т.40, № 11, с. 98-102.

9. Чурюмов Г.И. Современное состояние теории и практики магнетронных приборов с азимутальной симметрией. — Радиотехника, 1996, вып. 100, с. 231 —242.

10. Чурюмов Г.И. Влияние вычислительной погрешности на результаты анализа процессов в усилителях М—типа с распределенной эмиссией. — Радиотехника, 1980, вып. 53, с.90 — 95. ' .

И. Чурюмов Г.И. Выбор численных методов решения систем дифференциальных уравнений для расчета траекторий движения частиц, - Радиотехника, 1986, вып. 78, с.124 —132.

12. Чургомов Г.И., Назаренко Ю.А. Исследование формирования электронного потока в электронно—оптических системах (ЭОС) магнетрониого типа. - Радиотехника, 1993, вып. 96, с. 101-105.

13. Васянович А.В.,Чурюмов Г.И. Анализ точности решения уравнения движения в приборах М—типа. —Радиотехника, 1986, вып.77, с. 41-48.

14. Чурюмов Г.И. Моделирование процесса взаимодействия замкнутого электронного потока с обратной волной в усилителях М—типа с распределенной эмиссией.— Радиотехника, 1982, вып. 62, с. 1423.

15. Чурюмов Г.И., Шеин А.Г. Анализ многочастотного режима работы усилителя М—гипа с катодом в пространстве взаимодействия. —Радиотехника, 1978, вып. 47, с. 107 — 110.

16. Чурюмов Г.И. Анализ .процессов взаимодействия замкнутого электронного потока с обратной волной в усилителях М—типа с распределенной эмиссией.— Радиотехника, 1983, вып. 66. с. 90 - 96.

■ 17. Чурюмов Г.И. Теоретический анализ двухчастотного режима работы магнетрониого усилителя обратной волны с распределенной эмиссией. — Радиотехника, 1987, вып. 81, с. 94—97._

18. Васянович А.В., Чурюмов Г.И. Исследование выходного спектра магнетрониого усилшеля. - Радиотехника, 1989, вып. 90,

• с. 126-130.

19. Луганский А.М., Писаренко В.М., Чурюмов Г.И. Расчет хара-

ктеристик заменяющих систем по запросу на естественном языке с системе автоматизированного проектирования (САПР) СВЧ приборов. — Радиотехника, 1986, вып. 68, с. 48-53. .

20. Л с. № 1802646 (СССР), МКИ'Н 01 Л 25/50. Обращенный усилитель магнетрониого типа с катодным возбуждением / Чурюмов Г.И. и др., 1990.

21. Патент № 1780152 (РФ). Комбинированный усилитель М—типа / Сергеев Г.И.,'Чурюмов Г.И. Заявл. 06.08.90 г.

22. Положительное решение по заявке N 5059782/ 10(025817). Способ гашения генерации паразитных колебаний в паузах

между С.ВЧ импульсами и устройство для его осуществления / Сергеев Г.ИЧурюмов Г.И. Заявл. 08.05.92r

23. Назаренко Ю.А., Чурюмов Г.И. Исследование точности численного решения уравнения в частных производных. Харьков, 1992.- 9 с. - Деп. в УкрИНТЭИ, № 1342-Ук92.

24. Чурюмов Г.И. К вопросу электронно — волнового вза имодействия в амплитроне / Харьк. ин—т радиоэлектроники. — Харьков, 1986. - 17 е. - Деп. в УкрИНТЭИ № 1248-Ук 86.

25. Чурюмов Г.И. Цилиндрическая квазипериодическая математическая модель магнетрогшого усилителя с распределенной эмиссией / Харьк. ин—т радиоэлектроиики.— Харьков, 1990. - 12с. —Деп.в УкрИНТЭ^ № 469-Ук 90.

26. Копоть М.А., Чурюмов Г.И. Исследование устойчивости разностного решения задач с начальными условиями.— Харьков, 1993.- 11 с. - Деп. в УкрИНТЭИ, № 589-Ук93.

27. Churjumov G.I. Simulation of Electron-Wave Interaction in the Surface Wave Crossed — Field Amplifier // Proceedings 5th International Symposium on Recent Advances in Microwave Technology. -Kiev. September 11-16, 1995, p. 597-600.

20. Чурюмов Г.И., Васянович A.B., Назаренко Ю.А Роль и задачи вычислительного эксперимента при моделировании процессов в приборах СВЧ магнетронного типа. — В кн.: Труды Всесоюзной школы —семинара "Физика и применение микроволн". 4.2. — М., 1991, с.169-170.

29. Чурюмов Г.И., Сергеев Г.И., Копоть М.А. Теоретическое и экспериментальное исследование нетрадиционных приборов М — типа. - В кн.: Материалы докладов 3 - ей Крымской конференции "СВЧ—техника и спутниковый прием",- Севастополь. 1993.

30. Копоть М.А, Чурюмов Г.И. САЛОН и СТАРТ - пакеты прикладных программ для исследования физических! процессов в приборах СВЧ. - В кн.: Тезисы докладов международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации. Туапсе, 1995. 231с.

31. Чурюмов Г.И., Копоть М.А. СИГМА - мультиматшшая система пакетов прикладных программ для физического иссле -дования в электронике и электродинамики СВЧ я ее применение

в учебном процессе. — В кн.: Материалы докладов 5-ой Крымской конференции "СВЧ техника и спутниковый прием". Севастополь, 1995. 32. Габченко Н.П., Рой Ю.В., Чурюмов Г.И. SISED - система интерактивного моделирования физических процессов в электронных приборах СВЧ. — В кн.: Материалы докладов Международной конференции "Проблемы физической и биомедицинской электроники". Киев, 1996, с. 78 — 80.

Аннотация

Чурюмов Г,И. Пути и методы повышения эффективности взаимодействия электронного потока с замедленными электромагнитными волнами в системах со скрещенными нолями.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.04 — физическая электроника, Харьковский Государственный университет, Харьков, 1996.

Защищается 29 научных работ, 2 патента и 1 авторское свидетельство. В данных работах исследуются проблема повышения эффективности взаимодействия в системах со скре — щепными^ полями. Показаны особенности нелинейной природы такого взаимодействия с учетом его многочастотности, а также проведены моделирование и экспериментальные исследования новых нетрадиционных приборов М—типа. Предложены алгоритмы, модели, схемы и конструкции приборов М—типа, обладающие улучшенными выходными параметрами. Разработаны пакеты прикладных программ для применения па ЭВМ серии ЕС и ПЭВМ типа IBM PC.

Ключов1 слова:' прибори з схрещеяними полями, математичпо модулювппня, метод крупних частой, електронний нотис, режим самомодуляцп

Summary

Chuijumov СЛ. Ways and methods of increase of interaction elficiency ot an electro« beam with slowed electromagnetic waves in the crossed field systems.

The dissertation for the obtained of a scientific degree of the doctor of sciences on speciality 01.04.04 — physical electronics, Kharkov State university, Kharkov,'1996. ,

29 scientific works, 2 patents and 1 copyright certificate is protected. In these works the problem of increase of interaction efficiency in crossed field systems are studied. The feature of the nonlinear nature of such interaction is shown, but also the simulation and experimental researches of the new non -traditional tubes is conducted. The algorithms, models, circuit and design of tubes, having the improved output parameters have been proposed. The application packages have been created for using on super computers and personal computers.