Введение к работе
Акзсуалыкиггь^гемы: 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 тина "активная среда + электромагнитная волна" лежат 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 из 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 магнитом 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 допплеровских 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 другой 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 — тности, 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 в 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 + 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 — торых 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 (как 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.
Цзд.Ь_ра&о.ВДі В свете изложенного основной целью работы япляется создание 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 цели исследований рассматриваются методологические вопросы, связанные с повышением эффективности управления вычислительным экспериментом на основе создания специализированных пакетов прикладных программ (ППП).
На защиту в*-Р<чгтя; 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 усиления, 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 ограничения и насыщения усиления (в том числе и явления срыва усиления), многочастотного взаимодействия (усиление и генерация высших временных гармонических составляющих Ідематрон, амплитрон), икгер и кроссмодуляционные эффекты в бигармоническом режиме).
. 3. Аналитические и квазианалитическне модели (метод связанных волн) и результаты исследований (линейная теория) петрадиционных приборов со скрещенными полями (системы типа "электронный поток 4- две ВЧ волны" (случай слабой связи ВЧ волн) и "два электронных потока 4- ВЧ волна").
4. Новые нетрадиционные схемы и конструкции усили
тельных 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 типа|
IBM PC). . '';;;
Научная новизна. . 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 усн~
лительньгх 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 магнетронних
усилителях с разомкнутым (ЛБВМ, включая и их электронно":
оптические системы (ЭОС), дем&трон) и замкнутым (амплитрон,
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.
-
Предложены новые схемы и конструкции нетрадиционных магнетронних 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.
-
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.
-
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 вторичноэмиссионным 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 показана зависимость
выходных параметров прибора от величины сопротивления связи.
Полученные результаты представляют не только теоретический
интерес, но и имеют практическую оиачимость при создании магнетронних усилителей в миллиметровом диапазона длин-волн.
7. Дальнейшее развитие получила 'методика <анализа много—
частотных режимов работы магнетронных усилителей и особенно
усилителей с распределенной эмиссией 'И 'вШФШуШМ -потоком
(амплитронов). Впервые проведен комплекс ^исследований с по
мощью многопериодной математической модели амплитрона,
касающийся физических аспектов возбу>кдешш > гармонических
составляющих {2а>, 3<а и 4щ в спектре 'зшяодного сигнала
амплитронов, зависимости уровней данных «-гармоник -.- от.
параметров электродинамической системы, . зпясеяонных
характеристик катода, электрического режима i-paSoxbv !фаэы :н'
амплитуды отраженных от нагрузки ВЧ сигналов.
8. Разработаны уникальные проблемно -рртентарованные
системы интерактивного моделирования SISED (для? ПЭВМ типа" IBM
PC) и комплекс СИГМА (для ЭВМ типа ЕС 1066), «^включающие
ППП СТАРТ и САЛОН, которые, в свою очередь, «обладают
хорошо развитым функциональным и сервисным ПО. Тримеиевие
данных ППП совместно с диалоговой подсистемой ^является
одной пз эффективных форм организации вьгаисліггельмго>>тфо-~
цесса, а также мощным методом теоретического исследования
физических процессов в системах М — типа.
Таким образом в данной диссертационной работе <>тгред—
лагшотся и развиваются основы норого научного направления
развития систем со скрещенными полям? связанного с'соз
данием кетрадиционных усилительных и генераторных приборам
— типа, а также применением перспективных режим э их рёботы
(режим само модуляции). ;
Практическая значимость, і. , Разработанные матема— тические модели приборов М—типа, . система интерактивного моделирования SISED и .комплекс СИГМА включающие ШЩ СТАРТ и САЛОН, а также предложешше перспективные схемы «п конструкции нетрадиционных приборов составляют идейную проектную основу для проведения физических исследований -С целью совершенствования конструкций существующих классических приборов (например, амплитронои) 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 общетеоретически характер, в то же время расширяют и дополняют известные физические представления о электронно -г волновых процессах, протекающих в приборах М —типа и могут оказаться полезными на этапе их проектирования.
3. Результаты диссертационных исследований внедрены в
учабный 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 ряда НИР и НИОКР с предприятиями МЭП СССР,
что подтверждается актами внедрения.
Личный вклад, 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.
Ад пробо ДНЯ диссертации- Материалы диссертации докладывались на 23 Всесоюзных и Международных конференциях и семинарах, включая '. 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 бпомедицинской 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 НАН Украины и РК НАН Украины.
Публикации. Основное содержание диссертации опу
бликовано 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.
