Введение к работе
Актуальность исследования
Электровакуумные приборы СВЧ широко используются при решении различных задач радиолокации, связи, радиопротиводействия, промышленного и бытового нагрева, в осветительных устройствах, в медицине и биологии, а так же в научных исследованиях и других областях человеческой деятельности. При решении этих и ряда других задач целесообразно использовать приборы, в которых взаимодействие электронного потока с электромагнитной волной происходит в скрещенных статических электрическом и магнитном полях (взаимодействие М-типа). Они обладают высокими значениями КПД (до 70%), относительно малой величиной рабочего напряжения при достаточно большом уровне выходной мощности, небольшими габаритными размерами и массой.
Одним из основных условий генерации или усиления колебаний с заданной частотой в приборах М-типа является равенство скорости электронного потока и фазовой скорости электромагнитной волны, распространяющейся в замедляющей системе прибора (условие синхронизма). При заданной величине фазовой скорости это условие может удовлетворяться для целого спектра волн с различными частотами как в одной, так и в разных полосах прозрачности замедляющих систем. Взаимодействие электронного потока с таким набором электромагнитных волн может привести к нестабильной работе прибора, появлению на выходе двух и более сигналов, получению одного сигнала с нестабильной амплитудой
Электронные приборы М-типа обладают повышенным уровнем шума, что часто объясняется оседанием электронного потока на положительный электрод (анод) или на отрицательный электрод (катод). При этом, однако, практически отсутствуют исследования, посвященные выяснению спектрального состава потока и влияния колебаний, вызванных неустойчивостями потока, на выходной спектр при усилении или генерации высокочастотных колебаний. Эти причины, вызванные природой взаимодействия заряженных частиц, которые к тому же передвигаются в области, где могут присутствовать ионы остаточных газов, приводят к нарушению прямолинейного движения электронов, изменению их траекторий и скоростей, к нарушению границ электронного потока.
В то же время именно эти причины могут приводить к появлению как дискретных по частоте, так и шумовых составляющих в спектре генерации или усиления при взаимодействии электронного потока М-типа, который уже нельзя рассматривать как ламинарный, с высокочастотными полями.
Знание спектра колебаний вблизи несущей частоты является важной проблемой при решении задач электромагнитной совместимости электровакуумных приборов СВЧ (ЭМС ЭВП СВЧ), особенно, мощных и сверхмощных, с другими радиоэлектронными средствами (РЭС), поскольку они могут создавать электромагнитные помехи, нарушающие нормальное функционирование
РЭС. Очень часто практически невозможно экспериментально определить уровни мешающих колебаний и приходится или измерять их косвенно по влиянию на работу каких-либо приемных устройств, или производить расчеты, основанные на каких - либо качественных характеристиках приборов. При этом невозможно, как правило, выяснить физическую природу появления побочных колебаний и, тем более, устранить ее в работающем приборе. Поэтому необходимо, прежде всего, постараться теоретически рассмотреть возможную природу развития колебаний вблизи несущей и оценить уровни их мощностей как вблизи несущей частоты, так и вдали от нее.
Можно выделить несколько направлений, в которых исследования представляют наибольший интерес:
о определение возможности генерации или усиления электромагнитных волн с различными частотами за счет выбора характеристик замедляющих систем, используемых в приборах М-типа;
о генерация или усиление колебаний на гармониках основной частоты (несущей);
о генерация сигналов с близкими частотами (возможность усиления или
генерации сложных сигналов произвольного состава) или сигналов, частоты
которых лежат вблизи частоты основного сигнала частоты несущей);
о режим стохастических колебаний (генератор шума).
Все они могут рассматриваться как самостоятельные направления, хотя они и взаимосвязаны между собой.
Целью настоящих исследований является выявление причин появления колебаний вблизи несущей частоты и изучение процессов, протекающих при взаимодействии электронного потока, движущегося в скрещенных статических электрическом и магнитном полях, с высокочастотной электромагнитной волной при наличии низкочастотной модуляции электронного потока, определение уровней мощности сигналов, появляющихся в результате этого взаимодействия на выходе прибора.
При реализации поставленной цели решены следующие основные задачи:
изучены характеристики гребенчато - штыревых замедляющих систем, используемых в приборах М-типа;
построена модель параметрического взаимодействия электронного потока, модулированного по скорости, с полем высокочастотной волны заданной частоты;
дан анализ характера взаимосвязи волн электронного потока с полями волн на частотах вблизи несущей как на основе теории параметрического взаимодействия, так и на основе нелинейной теории группировки электронного потока в плоском магнетроне.
Научная новизна работы заключается в следующем: Изучены обобщенные характеристики гребенчато-штыревых замедляющих систем.
Разработан метод расчета амплитуд нормальных волн в связанной системе электронный поток - электромагнитная волна и показано, что при параметрическом взаимодействии низкочастотных волн, связанных с электронным потоком, с высокочастотным полем основной частоты (полем накачки) появляются волны, связанные с замедляющей системой и лежащие в полосе ее прозрачности, имеющие комплексные величины постоянных распространения, что свидетельствует о нарастании сигнала вдоль замедляющей системы.
Исследована связь волн электронного потока с волнами в замедляющей системе и доказано, что в данном случае, несмотря на малую величину возмущений, все волны влияют на процесс нарастания побочных колебаний.
Впервые показано, что величины амплитуд волн вблизи несущей, возбуждаемых за счет модуляции электронного потока, зависят как от разности частот, так и от величины пространственного заряда, что приводит к появлению несимметричного спектра вблизи несущей.
Впервые исследован нелинейный процесс формирования электронного сгустка в плоском магнетроне при наличии модуляции электронного потока и доказано, что эти эффекты эквивалентны параметрическому взаимодействию сигналов.
Практическая ценность заключается в том, что о разработана общая теория распространения электромагнитных волн в гребенчато-штыревых замедляющих системах;
о создана численная модель развития сигналов сложного спектрального состава при генерации в магнетроне вблизи несущей;
о доказано, что в приборах М-типа могут генерироваться побочные колебания с частотами, близкими к частоте основного сигнала, вызванные низкочастотными возмущениями электронного потока.
о показано, что уровни мощности побочных колебаний, вызванные низкочастотными возмущениями, могут достигать величины - 30 дБ от уровня мощности основного сигнала.
Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в госбюджетных научно-исследовательских работах «Динамический хаос в скрещенных электрическом и магнитном полях» (№ гос. регистрации 01940004940) и «Математическое моделирование многочастотных взаимодействий в скрещенных полях» (№ гос. регистрации 01990010964), выполненных в Волгоградском государственном университете в 1994 - 99 г. и в 1999 - 2003 г. по планам фундаментальных и поисковых работ Министерства образования 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 параметрическою взаимодействия низкочастотного
возмущения электронного потока с высокочастотным полем основной волны и
результаты исследований уровней побочных колебаний вблизи несущей в
зависимости от электрических параметров пучка и параметров замедляющей
системы.
Динамика преобразования спектра колебаний вблизи несущей при наличии
модуляции электронного потока по скорости.
Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (1995 - 2003г.і.), на научно-теоретических конференциях ВолгГТУ (1995 - 2003г.г.), на второй международной конференции «Теория и техника передачи, приёма и обработки информации» Харьков - lyauce 1996 г. на V региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волюфад, 2000 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автра. Выполнено аналитическое и численное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем:
получены дисперсионные уравнения плоских гребенчаю-шшревых за
медляющих структур; разработана и реализована программа, рассчитывающая
дисперсионные характеристики плоских гребенчато-штыревых замедляющих
структур; проанализированы зависимости дисперсионных характеристик пло
ских гребенчато-штыревых замедляющих структур от различных геометриче
ских параметров;
разработан метод расчета амплитуд нормальных волн в связанной системе злекфонныи поток — электромагниная волна и реализована численная модель, описывающая параметрическое взаимодействие низкочастотных колебаний электронного потока с высокочастотным сигналом, получены и проанализированы результат исследования данного параметрического взаимодействия;
проведены исследования динамики изменения спектра колебаний вблизи несущей при наличии модулированного по скорости электронного потока.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 71 наименования и двух приложений, включает 41 рисунок и 2 таблицы. Общий объём диссертации 125 стр.
