Введение к работе
Актуальность исследования.
Приборы М - типа с катодом в пространстве взаимодействия широко применяются в радиолокации и радионавигации, системах наведения, средствах измерения и контроля, промышленных и бытовых нагревательных установках, медицинской технике, системах сотовой и спутниковой связи, системах глобального определения положения на местности и аварийного оповещения и т.п.
В настоящее время полупроводниковые приборы почти полностью вытеснили с рынка вакуумные приборы СВЧ малой мощности. Однако ряд таких недостатков, как малая величина выходной мощности, низкая температурная и радиационная устойчивость, определяемая свойствами самих полупроводниковых материалов и р п переходов, ограничивает их использование, что позволяет прогнозировать дальнейшее развитие вакуумных приборов СВЧ.
Для успешной конкуренции вакуумных приборов по отношению к полупроводниковым необходимо значительно повысить требования к параметрам и характеристикам, и не только к таким, как коэффициент полезного действия, коэффициент усиления, мощность, габариты, масса, себестоимость, определяемых, в основном, современным развитием техники и технологии. Требуется расширение функциональных возможностей приборов, поиск новых и совершенствование используемых областей их применения.
В условиях рынка ученым и инженерам приходится искать пути разработок, которые требуют меньших затрат. Чтобы разрабатывать новые приборы и улучшать их характеристики, требуется создание большого числа экспериментальных образцов, использование дорогостоящих материалов и применение сложных технологий. Поэтому развивается техника компьютерного моделирования подобных приборов. Численная реализация позволяет не только сократить стоимость приборов, но и обнаружить новые пути в улучшении их характеристик. Например, при моделировании вакуумных приборов СВЧ возможно не только снимать характеристики на выходе в зависимости от сигнала на входе, но и наблюдать непосредственно, как электронный поток взаимодействует с электромагнитным полем, т.е. непосредственно наблюдать, что происходит внутри прибора.
Работа усилителей М - типа с катодом в пространстве взаимодействия характеризуется сложными физическими явлениями в условиях ярко выраженных колебательных состояний пространственного заряда большой плотности. Трудности математического описания принципиально нелинейного самосогласованного процесса взаимодействия электронного потока с ВЧ волной в скрещенных полях приводят к необходимости введения в теорию различного рода упрощений и приближений. При этом много важных для конструирования вопросов остаются за пределами исследований, а математическое и программное обеспечение разработок отстает от существующих потребностей.
Как представляется, одним из факторов, ограничивающих возможности применения численных моделей в практике проектирования приборов СВЧ, является то обстоятельство, что в численных моделях используются нередко те
же допущения, что и в приближенных. Предполагается, например, что в замедляющей системе возбуждается только одна высокочастотная волна, с которой осуществляется взаимодействие электронного потока (одноволновое приближение), не учитывается возбуждение в приборе паразитных колебаний, появление отраженных волн, усиление многочастотного сигнала. Часто игнорируются разрезная структура анодного блока (приближение "гладкого" анода). Следует отметить также, что в численных моделях процессы анализируются, как правило, в подвижном секторе протяженностью в замедленную длину волны, что, по существу, является аналогом метода "эквивалентных" магнетронов, применяемого в приближенном моделировании. Такой подход, называемый од-нопериодным, не является во многих случаях корректным. Он крайне неудобен при численном моделировании приборов, работающих на обратной волне (ам-плитронов, усилителей обратной волны с пространством дрейфа) и является помехой для моделирования многоволнового взаимодействия и учета разрезной структуры анода. Для более полного описания магнетронных приборов требуется использование многопериодного подхода, при котором процессы рассматриваются одновременно во всем пространстве взаимодействия.
Существенным ограничивающим допущением является также двумерное приближение. Строгое компьютерное моделирование усилителей М - типа с катодом в пространстве взаимодействия требует рассмотрения всего трехмерного пространства взаимодействия и учета реальной трехмерной конструкции прибора. Положение дел усложняется еще и тем обстоятельством, что приближенное или аналитическое описание трехмерных явлений практически полностью отсутствует. Вместе с тем в настоящее время возможности вычислительной техники позволяют реализовать с достаточным быстродействием программу расчета и анализа процессов в скрещенных полях с учетом всех трех измерений.
Таким образом, актуальными задачами являются: исследование явлений, связанных с трехмерностью неоднородных электрических и магнитных полей, изучение влияния аксиального движения электронов, изучение влияния пространственного заряда в электронных потоках конечной толщины на выходные параметры прибора, исследование влияния шумовых явлений в электронных потоках, учет влияния вторичной эмиссии, разработка методов повышения выходных параметров прибора и т.п.
Особое место занимает изучение многочастотного взаимодействия. До сих пор в основном, за некоторым исключением, исследовались одночастотные режимы взаимодействия. В то же время необходимость обеспечения требований электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств обусловила проведение целого ряда работ, направленных на повышение качества спектра выходных сигналов приборов М - типа. Это вызвало необходимость в изучении процессов взаимодействия электронных потоков с электромагнитными волнами сложного спектрального состава. Данное направление исследования пока недостаточно развито, изучалось лишь многочастотное взаимодействие в лучевых приборах М - типа, в системах же с распределенной эмиссией оно носит лишь эпизодический характер.
Численное (компьютерное) моделирование процессов на ЭВМ методом крупных частиц позволяет в определенной степени обойти многие трудности. Следует отметить вклад в развитие численного моделирования приборов М-типа как зарубежных (Yu , Kooyers , Buneman, Vaughan, Hockney, Dobrowski, MacGregor и др.), так и отечественных ученых (Вайнштейн Л.А., Рошаль А.С., Байбурин В.Б., Ильин Е.М., Макаров В.Н., Шеин А.Г., Терентьев А.А., и др.). Метод крупных частиц позволяет, с одной стороны, проводить моделирование процессов и решение основных уравнений на более строгом уровне, а с другой стороны, существенно расширить класс решаемых задач. Например, в работе [дисс. Леванде А.Б. «Многоволновая трехмерная модель амплитрона и ее применение», СГТУ, Саратов, 2004] описана трехмерная численная модель амплитрона, позволяющая исследовать влияние на работе прибора различных факторов, связанных как с неоднородностями электрических и магнитных полей, так и с параметрами замедляющей системы. Однако в ней введен ряд ограничений: расчет полей пространственного заряда ведется сеточным методом с использованием метода Хокни, не всегда пригодным при анализе многочастотного взаимодействия, особенно при большом разносе частот, используются нормализованные координаты, образованные путем конформного отображения круга на полосу, в связи с чем искажается структура поля в пространстве взаимодействия, не учитывается крутизна дисперсионной характеристики замедляющей системы. В целом модель, хотя и позволяет исследовать влияние на работе прибора различных факторов, связанных с неоднородностями электрических и магнитных полей, не дает возможности изучать процесс конкуренции колебаний с различными частотами в процессе усиления сигналов.
Научная и практическая значимость исследования многочастотного взаимодействия требует детального изучения нелинейных процессов, протекающих в системах М - типа с распределенной эмиссией, и создание адекватного математического аппарата для их описания.
Перечисленные выше особенности взаимодействия в скрещенных полях определяют многие важные параметры и влияют на работу реального прибора. Пожалуй, только точное решение уравнений движения (учет циклоидального движения электронов) и возможность корректного моделирования процессов на катоде с учетом эмиссионных свойств материала и энергий электронной бомбардировки позволит решить ряд актуальных задач, описанных выше.
Допущения, используемые в моделировании работы приборов СВЧ, могут быть частично решены путем построения четкой математической модели и последующей её реализаций численными методами. Причем не всегда стоит использовать быстрые алгоритмы счета при моделировании процессов, происходящих внутри прибора, ввиду постоянного совершенствования компьютерной техники и увеличения её производительности.
Целью исследований является изучение явлений при усилении и генерации электромагнитных волн, представляющих собой совокупность сигналов с различными частотами, распространяющимися в замедляющих структурах с отрицательной дисперсией, в системах со скрещенными статическими электрическом и магнитном полями и замкнутым электронным потоком.
При реализации поставленной цели решены следующие основные задачи.
Обобщены основные теоретические модели, описывающие процессы в системах с отрицательной дисперсией и замкнутым электронным потоком М - типа.
Построена математическая модель, отражающая взаимодействие электронного потока с обратной электромагнитной волной сложного спектрального состава при учете эмиссионных свойств катода и разрезной структуры анода.
- Реализован метод расчета полей пространственного заряда, использующий
закон Кулона.
Рассмотрены процессы развития и установления колебаний в плоской конструкции амплитрона в режимах генерации и регенеративного усиления для случая наличия в системе электромагнитных волн, представляющих собой суперпозицию сигналов с различными частотами, распространяющихся как в одной, так и в соседних полосах пропускания замедляющей системы.
Дан анализ процессов при усилении многочастотного сигнала в цилиндрической конструкции амплитрона.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Создана математическая модель, позволяющая изучать нестационарные процессы установления колебаний как в пространстве, так и во времени при взаимодействии замкнутого в пространстве взаимодействия электронного потока, транспортируемого в скрещенных статических электрическом и магнитном полях при наличии эмитирующего катода, с обратной электромагнитной волной сложного спектрального состава.
Рассмотрены процессы развития, возбуждения и конкуренции гармоник сигнала основной частоты и доказано, что в случае равенства фазовых скоростей и скорости электронного потока волн, частоты которых являются гармониками основного сигнала, возможна одновременная генерация нескольких сигналов с различными уровнями мощности.
Изучены процессы, протекающие при усилении сигналов, представляющих собой суперпозицию волн с близкими частотами, в том числе генерацию колебаний, обусловленных параметрической связью электромагнитных волн.
Установлено, что всегда при многочастотном возбуждении имеются области значений величин объемной плотности пространственного заряда, в которых возможно с определенной степенью вероятности возбуждение любой из конкурирующих волн.
Доказана возможность реализации режима работы, когда на выходе прибора в пределах полосы усиления присутствует сигнал, близкий к стохастическому.
Рассмотрена возможность подавления GPS сигналов при помощи усилителей различных типов.
Практическая ценность заключается в том, что
разработанная программа, реализующая методику решения уравнения возбуждения, расчета полей пространственного заряда, учета термоэмиссионных свойств катода, может быть использована для моделирования работы ампли-тронов в различных режимах;
определены режимы, при которых наблюдается конкуренция сигналов;
показана принципиальная возможность получения на выходе сигналов, как стабильных по величине генерируемой или усиливаемой мощности, так и нестабильных, а также сигналов сложного спектрального состава;
разработана идея подавления сигналов GPS при помощи амплитрона.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы используются в госбюджетной научно-исследовательской работе «Разработка принципов создания многочастотных сверхвысокочастотных усилителей и генераторов М - типа» (тема № 54-53/429-04. № гос. регистрации 01200500653), выполняемой в настоящее время на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета по планам фундаментальных и поисковых работ Федерального агентства по образованию Министерства образования и науки РФ.
Достоверность результатов исследования определяется корректностью используемых физических законов, путем сравнения зависимости выходной мощности от времени для одночастотного режима с данными, полученными другими авторами, а также соответствием значений выходной мощности и КПД промышленных приборов со справочными данными (для одночастотного режима).
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Самосогласованная математическая модель взаимодействия разомкнутого электронного потока, транспортируемого в системе скрещенными полями при наличии эмиттирующего катода, с обратной электромагнитной волной, предназначенная для исследования многочастотных электронно-волновых процессов и для расчета выходных характеристик амплитрона в широком диапазоне изменения параметров.
Метод расчета высокочастотных полей замедляющей системы при наличии электронного потока, позволяющий наблюдать процессы развития колебаний в пространстве и во времени одновременно, используя при этом лабораторную систему отсчета координат и времени.
Комплекс исследований особенностей нелинейного взаимодействия разомкнутого электронного потока М - типа с обратной волной, являющейся суперпозицией волн с различными частотами, существенно расширяющий фундаментальные представления о физике процессов конкуренции сигналов в течение времени при установлении колебаний в амплитроне.
Исследование возможности подавления GPS сигналов.
Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на семинарах кафедры физики ВолгГТУ (2005-2008гг.), на научно-технических конференциях ВолгГТУ (2005-2008гг.), на 18-ой Международной конференции «Кримико - 2008» «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Украина, г. Севастополь, 2008 г.), на региональной конференции молодых ис-
следователей Волгоградской области 2008 г., на семинаре компании «На-вгеоком-Волгоград» по современным GPS технологиям (2008 г.).
Публикации. По результатам данной работы имеется 4 публикаций, список которых приведен в конце автореферата, в том числе 1 статья в журналах из списка ВАК РФ.
Личный вклад автора. В соответствии с задачами, поставленными научным руководителем, автор создал математическую модель амплитрона, выполнил реализацию разработанной модели на ЭВМ, принимал участие в анализе результатов исследования процессов усиления монохроматического сигнала, а также сигнала сложного спектрального состава в усилителе обратной волны с эмиттирующим отрицательным электродом, выдвинул идею возможного подавления GPS сигналов электровакуумными приборами СВЧ и проанализировал ее.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии. Общий объём диссертации 116 страниц, включающих 104 страницы основного текста с 48 рисунками, 6 страниц списка использованных источников из 63 наименований.
