Введение к работе
Актуальность исследования. Задача исследования процессов взаимодействия электромагнитной волны с нелинейными средами представляет интерес, поскольку процессы в системах электронный поток - электромагнитная волна лежат в основе функционирования практически всех электронно-волновых систем. Особое место среди таких систем занимают электровакуумные приборы (ЭВП) СВЧ со скрещенными полями (приборы М-типа). Значительный уровень мощности излучения, высокая радиационная и тепловая стойкость, длительный срок службы и надежность сделали привлекательным их применение при решении задач радиолокации, связи, радиопротиводействия, промышленного и бытового нагрева, а также в области медицины и биологии.
При всей привлекательности эти приборы обладают рядом недостатков, связанных с особенностями процессов взаимодействия потока с электромагнитными волнами. К ним относится сравнительно высокий уровень шума, относительно невысокий коэффициент усиления, что ограничивает области их применения. В определенной степени это связано с тем, что изучению физических процессов в приборах типа О уделяется больше внимания, в связи с чем потенциальные возможности приборов М-типа далеко не все изучены, тем более, что в классе мощных усилителей и генераторов им нет равных. Именно этим обусловлен интерес к выяснению новых условий работы приборов М-типа и определению возможностей их использования.
В настоящее время развитее электроники СВЧ в большей степени связано с усовершенствованием и видоизменением приборов, работа которых основана на хорошо известных принципах, поиском новых путей использования их, а не только с разработкой новых принципов генерации и усиления высокочастотных сигналов. Развивается и совершенствуется методика численного эксперимента. В связи с бурным развитием вычислительной техники появилась возможность усовершенствования математических моделей и повышения точности производимых расчетов для исследования таких «тонких» эффектов, как многочастотные взаимодействия.
В этой связи очень удобной в качестве объекта исследований представляется лампа обратной волны М-типа, в которой направления фазовой и групповой скоростей электромагнитной волны противоположны. Такое условие обеспечивает наличие положительной обратной связи между входом, находящимся вблизи коллекторного конца прибора, и выходом, расположенным в прикатодной области. В зависимости от выбора параметров (длины пространства взаимодействия, величины тока электронного пучка) такой прибор может работать как в режиме усиления, так и в режиме генерации. Наибольшее распространение данные приборы получили как генераторы с электронной перестройкой частоты.
Одним из основных условий возбуждения колебаний заданной частоты, как следует из результатов теории, является равенство скорости электронно-
го потока и фазовой скорости электромагнитной волны в замедляющей системе прибора (условие синхронизма) и необходимость обеспечения тока пучка, превышающего пусковой. При заданной фазовой скорости для нескольких сигналов с разными частотами, в принципе, может быть выполнено условие пускового тока, что обусловлено свойствами замедляющей системы, используемой в приборе. Такое взаимодействие сигналов с различными частотами может привести к нестабильной работе, что может выражаться не только наличием на выходе сигналов двух и более частот, но и получением сигнала с нестабильной амплитудой, в связи, с чем исследование подобных ситуаций представляет несомненный интерес.
Целью исследований является изучение особенностей работы ЛОВМ в нелинейном режиме регенеративного усиления при наличии сигналов, представляющих собой суперпозицию волн с различными частотами, и определение влияния воздействия внешних сигналов на процесс генерации.
При реализации поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
создать математическую модель взаимодействия электронного потока и обратных электромагнитных волн сложного спектрального состава в системах М-типа для изучения многочастотного режима взаимодействия при использовании двух методов расчета полей пространственного заряда: сеточного и «частица-частица»;
изучить пусковые условия генератора ЛОВМ с учетом влияния пространственного заряда;
рассмотреть процессы развития и установления в лампе обратной волны М-типа в режиме регенеративного усиления, когда на вход подаются нескольких монохроматических сигналов с разными частотами;
изучить процессы, влияющие на процессы генерации колебаний при наличии внешнего воздействия.
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые, подробно проведены исследования работы ЛОВМ -усилителя, как при усилении одночастотного монохроматического сигнала, так и при усилении нескольких волн с различными частотами;
показано, что в зависимости от величины входной мощности изменяется полоса усиления, а при наличии входного сигнала, частота которого лежит вне пределов полосы, наряду с его усилением происходит возбуждение дополнительных колебаний с достаточно высоким уровнем выходной мощности;
установлено, что в ЛОВМ - генераторе при подаче внешнего сигнала реализуются режимы работы, при которых одновременно существуют сигналы разных частот с примерно равными выходными мощностями;
доказано, что наличие внешних сигналов в ЛОВМ - генераторе приводит к появлению многочастотного режима работы.
Практическая ценность заключается в следующем:
математическая модель и разработанная программа могут быть использованы для моделирования работы ЛОВ М-типа в многочастотных режимах;
найдены условия, обеспечивающие получение на выходе сигналов, как стабильных по величине генерируемой или усиливаемой мощности, так и нестабильных, а также сигналов сложного спектра;
доказана возможность генерации в ЛОВМ двухчастотного сигнала со сравнимыми по величине уровнями мощности.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы использованы в научно-исследовательской работе «Исследование возможности создания многочастотных сверхвысокочастотных усилителей и генераторов М - типа» тема № 54-53/429-04, № гос. регистрации 01200500653) (2004-2009), которые выполнены на кафедре «Физика» Волгоградского государственного технического университета по планам фундаментальных и поисковых работ агентства по образованию РФ и используются в НИР «Исследование процессов усиления и генерации стохастических колебаний в скрещенных поля» (№ 54-53/145-09, № гос. регистрации 2010613062), выполняемой в настоящее время по планам фундаментальных и поисковых работ Министерства образования и науки РФ.
Достоверность результатов исследования определяется корректностью используемых физических законов, подтверждается отсутствие противоречий с фундаментальными представлениями о рассматриваемых процессах путем сравнения зависимости выходной мощности от времени для одно-частотного 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:
генерация колебаний в ЛОВ М-типа наступает при превышении фазовой скорости электромагнитной над скоростью электронного потока;
полоса усиления монохроматического сигнала в ЛОВМ -усилителе зависит от величины входной мощности монохроматического сигнала;
усиление монохроматического сигнала, частота которого лежит вне полосы усиления, приводит, наряду с его усилением, к возбуждению дополнительных колебаний и усложнению спектра сигнала на выходе прибора;
доказана возможность работы ЛОВМ-генератора в двухчастотном режиме с практически одинаковыми уровнями выходной мощности.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
По области исследования диссертация соответствует специальности 01.04.04 «Физическая электроника» (пункт 3 «Вакуумная электроника, включающая методы генерирования потока электронных частиц ...»).
Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (2007-2010гг.), на научно-теоретической конференции ВолгГТУ (2008 г.), на XIII межвузовской конференции студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2008 г.), девятой международной научной конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, 2010 г.), 14-й Международный молодежный форум «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И МОЛОДЕЖЬ В XXI веке» (Харьков 2010 г.), на Международной научно-технической конференции (Computer-Based Conference) "Современные информационные технологии" (Пенза, 2010 г.).
Основные результаты диссертации изложены в 7 публикациях, из них одна работа в журнале, включённом в Перечень ВАК РФ, одно свидетельство о государственной регистрации программы.
Личный вклад автора. Диссертант выполнил аналитические и численные исследования в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: получил аналитический вид искомых формул, описывающих процесс взаимодействия незамкнутого электронного потока с обратной электромагнитной волной, реализовал численную модель этого процесса, получил и проанализировал результаты исследования работы ЛОВМ в различных режимах.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии. Общий объём диссертации 121 страниц, включающих 48 рисунков, 8 страниц списка использованных источников из 85 наименований.
