Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И
Конструкция магнетронного генератора 11
Этапы развития теории магнетронов 17
Исследование конкуренции видов колебаний методом самосогласованного поля 19
Основные уравнения математической модели магнетронного генератора 20
Метод крупных частиц 22
Вычисление ВЧ полей и поля пространственного заряда в моделях крупных частиц 27
Многоволновые трехмерные цилиндрические модели магнетронних
генераторов 28
Выводы 31
2. ТРЕХМЕРНАЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ МНОГОВОЛНОВАЯ МОДЕЛЬ
МАГНЕТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА 32
Уравнения электромагнитных полей 32
Уравнения движения 37
Уравнения термоэмиссии и вторичной эмиссии 37
Дискретное представление уравнений модели и методы их численного решения 38
Основные исходные приближения 38
Представление пространства взаимодействия и электронного потока 40
Методы решения уравнений движения 41
Методы решения уравнения возбуждения 43
Определение поля пространственного заряда 44
Постановка задачи о нахождении поля пространственного заряда 45
Алгоритм решения уравнения Пуассона 48
2.5 Особенности реализация математической модели магнетронного
генератора 52
Пакет прикладных программ 52
Структура FORTRAN-программ 53
Выводы 55
3 ОДНОЧАСТОТНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ МАГНЕТРОННОГО
ГЕНЕРАТОРА 56
Исходные параметры,..,.., 57
Связь анодного тока с колебаниями электронного потока
в одночастотном режиме при колебаниях тс-вида 58
Колебания —1 - вида. Одночастотный режим 62
Спектральный анализ выходных сигналов 68
3.4.1 Спектральный состав колебаний электронного потока
при колебаниях тг-вида 70
3.4.2 Спектральный состав колебаний электронного потока
при колебаниях — 1 - вида 77
Выводы 86
4 УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДВУХ ЧАСТОТНОГО РЕЖИМА
ПРИ «ПЕРЕСКОКЕ» С—-1-ВИД КОЛЕБАНИИ НА л-ВИД 88
4.1 Выбор параметров режимов 88
4.2 Влияние величины анодного напряжения на процесс
конкуренции видов колебаний 90
Влияние величины нормы побочного колебания на процесс конкуренции видов колебаний 93
Явление перескока при различных значениях
N
частоты 1 вида колебаний 94
4.5 Спектральный анализ ВЧ сигналов при конкуренции видов колебаний,...98
Выводы 108
5 ЭЛЕКТРОННЫЙ МЕХАНИЗМ «ПЕРЕСКОКА» ПО
Выводы 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
ЛИТЕРАТУРА 138
Введение к работе
Актуальность исследования
Магнетроны находят широкое применение в различных отраслях науки и техники (в радиолокации, в промышленных и бытовых нагревательных установках, в медицинской технике, в системах глобального определения положения на местности и аварийного оповещения и т.д.). Это связано с тем, что они обладают удачным сочетанием высокого коэффициента полезного действия и большой выходной мощностью при малых габаритах. Поэтому их производство растет во всем мире. Так только для бытовых микроволновых печей в год выпускается более 15 миллионов таких приборов.
Однако развитие промышленности выдвигает новые требования к параметрам и характеристикам приборов, что приводит к тому, что магнетроны должны обладать целым набором зачастую противоречивых свойств. Так, например, если десять - двадцать лет тому назад требовалась чистота спектра генерации магнетрона и уровни побочных колебаний должны быть минимизированы, то в настоящее время все больше внимания уделяется возможностям генерации хаотических сигналов с эквидистантным спектром. А это направление совершенно изменяет подход к конструированию таких приборов, поскольку не только физические процессы при взаимодействии электронного потока с электромагнитной волной, имеющей сложный спектральный состав, отличаются от процессов при генерации детерминированного одночастотного сигнала, но и подход к выбору электродинамических характеристик кольцевых замедляющих систем, используемых в магнетронах, очевидно, должен быть иным.
Именно поэтому приходится прибегать к моделированию процессов в магнетронах с целью поиска путей решения поставленных задач. В электронике приборов СВЧ компьютерное моделирование, широко развиваясь последние 30 лет, прочно утвердилось в качестве одного из основных инструментов исследования. Использование результатов компьютерного моделирования позво-
ляет сократить время и стоимость разработки приборов, наметить новые пути повышения их эффективности. Развитие средств вычислительной техники позволяет усложнять математические модели, что приводит к тому, что появляется возможность анализировать "внутренние" характеристики электронно-волнового взаимодействия, недоступные в реальном эксперименте.
Подавляющее количество теоретических и экспериментальных работ, посвящены изучению работы магнетрона в одночастотном режиме. Однако насыщенность выходного спектра магнетрона свидетельствует о полигармоническом составе выходного сигнала, поскольку возможно возбуждение побочных видов колебаний, а также аксиальных колебаний пространственного заряда, заметно влияющих на генерацию.
В работах ряда авторов (Галаган А. В., Терентьев А. А.) рассматриваются
процессы взаимодействие временных гармоник колебаний высокочастотно
го (ВЧ) поля с электронным потоком в предосцилляционном режиме, исследу
ются условия перескока с я-вида колебаний на 1 - вид при большой разно
сти частот колебаний (около 40%). Однако в них не рассматриваются те физи
ческие условия, которые могли бы привести к регулируемым изменениям час
тоты генерации или генерации хотя бы двух частот одновременно.
При этом остается ряд проблем, связанных как с выяснением проблемы перескока видов колебаний в классических магнетронах, так и с определением возможности двухчастотного режима генерации.
В связи с этим целью настоящих исследований является выяснение условий возбуждения побочных видов колебаний с частотами, близкими к частоте колебаний л-вида, условий и причин перескока между видами колебаний, рассмотрение процессов в электронном потоке при конкуренции видов колебаний и перескоке между ними, а также выяснение возможности работы магнетрона в двухчастотном режиме.
При реализации поставленной цели решены следующие задачи:
построена многопериодная цилиндрическая трехмерная модель магнетронного генератора, позволяющая исследовать процессы в цилиндрической системе координат;
определены условия возбуждения колебаний І-вида в одночастотном
режиме и впервые дан анализ спектров анодного тока и амплитуды ВЧ поля для таких режимов;
рассмотрена структура электронного потока и его динамика при одно-
частотных колебаниях тг-вида и 1-вида;
определены условия возбуждения колебаний 1-вида при конкурен-
ции с колебаниями л-вида приводящей к перескоку между видами и впервые дан анализ изменения спектров анодного тока и амплитуд ВЧ поле в двухчас-тотном режиме;
изучена динамика электронного потока при конкуренции видов колеба
ний и при перескоке между ними.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- Исследована эволюция формы электронных спиц в одночастотном режиме генерации и теоретически подтверждено предположение об осцилляции границ спицы в динамическом режиме работы магнетрона, которое обусловлено действием сил поля пространственного заряда и ВЧ поля.
Разработана методика расчета спектров анодного тока для многопериод-ной модели магнетронного генератора.
Определено, что при значениях напряжений выше напряжения возбуж
дения колебаний 1-вида в спектре анодного тока появляется характерная
низкочастотная гармоника, уровень которой возрастает с увеличением значения анодного напряжения.
Изучение процессов в электронном облаке при конкуренции колебаний
7і-вида и 1-вида впервые позволило выяснить физические условия переско-
ка с 1-вида колебаний на тс- вид при разности частот колебаний менее 10%,
заключающиеся в совпадении спектральных составляющих конкурирующих видов колебаний с учетом электронного смещения частоты. Практическая ценность заключается в том, что
о разработана математическая модель взаимодействия электронного потока с полигармоническими сигналами разных видов колебаний для трехмерной цилиндрической области пространства взаимодействия магнетрона; о предсказаны дополнительные условия появления низкочастотных составляющих в спектре генерации магнетрона, способных излучать энергию в пространство через катодную ножку;
о доказано, что в магнетронах возможны режимы, в которых происходит одновременная генерация двух сигналов с близкими частотами и сравнимыми уровнями электронной мощности.
Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в госбюджетных научно-исследовательских работах «Динамический хаос в скрещенных электрическом и магнитном полях» (№ гос. регистрации 01940004940), «Математическое моделирование много частотных взаимодействий в скрещенных полях» (№ гос. регистрации 01990010964), «Исследование возможности создания многочастотных сверхвысокочастотных усилителей и генераторов М - типа» (тема № 54-53/429-04, № гос. Регистрации 01200500653), выполненных в Волгоградском государственном техническом университете в 1994 - 99 г., в 1999 -2003 г. фундаментальных и поисковых работ Министерства образования РФ, и выполняемых настоящее время на кафедре физики по планам Агентства по образованию РФ.
Достоверность результатов исследования обусловлена строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений с использованием
классических физических законов, результатами контрольных расчетов, совпадающих с данными других авторов и с экспериментом.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
> Математическая модель многочастотного взаимодействия в магнетрон-ном генераторе, учитывающая процессы во всем пространстве взаимодействия прибора.
* Динамика электронного облака как в одночастотном режиме, так и при перескоках видов колебаний.
*** Физические условия, необходимые для перескока видов колебаний.
Доказательство возможности одновременной генерации двух сигналов с разными частотами.
Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на
семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (1995 - 2006 г.г.), на научно-теоретических конференциях ВолгГТУ (1995 - 2006 гг.), на XXXIII Международной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 1995 г.), на V региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2000 г.). Публикации:
1. 1. Ермолаев, А. В. Математическая модель взаимодействия электронного
потока с сигналами близких частот / А. В. Ермолаев // Студент и научно-
технический прогресс: тез. докл. ХХХШ Междунар. студ. конф. / НГУ. -
Новосибирск, 1995.-С. 117.
Ермолаев, А. В. Численная модель многочастотного взаимодействия в магнетронном генераторе / А, В. Ермолаев // Вопросы физической метрологии: вестник Поволжского отделения Метрологической академии России. - 1999. - Вып. 1.-С. 94-102.
Ермолаев, А. В. Математическое моделирование процесса взаимодействия двух сигналов различных частот в магнетронном генераторе / А. В.
Ермолаев // V региональная межвузовская конференция студентов и моло-
дых исследователей Волгоградской области. Секция «Физика и математика»: тез. докл./ВолГУ. -Волгоград, 2001.-С. 214-215.
Ермолаев, А. В. О спектральном составе тока в магнетрониом генераторе при многочастотном взаимодействии / А. В. Ермолаев // Успехи современной радиоэлектроники. - 2002. - № 8. - С. 24-27.
Ермолаев, А. В.Пульсации электронных спиц в магнетрониом генераторе/ Д. Н. Бауков, А. В. Ермолаев // Вопросы физической метрологии: вестник Поволжского отделения Метрологической академии России. -2005.-Вып. 7.-С. 44-52.
Ермолаев, А, В, Спектральный состав высокочастотного сигнала в магнетрониом генераторе при перескоке видов колебаний / А. В. Ермолаев, Д. Н. Бауков // Вопросы физической метрологии: вестник Поволжского отделения Метрологической академии России. - 2006. - Вып. 8. - С. 92-99.
Личный вклад автора. Диссертант полностью выполнил аналитическое и численное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем:
построил математическую модель магнетрона, позволяющую изучать процессы во всем пространстве взаимодействия одновременно, отладил программу и произвел необходимые численные расчеты;
дал анализ процессов в пространстве взаимодействия при наличии перескока видов колебаний и определил условия перескока.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложения, содержит 29 рисунков. Общий объём диссертации 144 стр. Библиография содержит 69 наименований.
