Трехмерные, многоволновые и многопериодные модели магнетронных приборов Терентьев, Александр Александрович

Введение к работе

Актуальность темы

Генераторы и усилители магнетронного типа, обладающие удачным сочетанием ряда параметров, таких как высокий коэффициент полезного действия и большая выходная мощность при малых габаритах, занимают одно из ведущих мест среди электровакуумных приборов СВЧ.

Разработка таких приборов связана с созданием большого числа промежуточных макетов, применением дорогостоящих материалов и использованием сложных технологий. В условиях рыночной экономики и конкуренции это приводит к необходимости внедрения компьютерных методов анализа и расчета параметров приборов на этапе проектирования. Компьютерное моделирование позволяет не только сократить время и стоимость разработки приборов, но и наметить новые пути повышения их эффективности, так как появляется возможность анализировать не только выходные параметры, но и "внутренние" характеристики электронно-волнового взаимодействия, что недоступно в реальном эксперименте.

Следует отметить, что несмотря на сравнительно длительный период существования магнетронных приборов, имеется целый ряд проблем как прикладного, так и теоретического значения. В частности, остаются недостаточно изученными вопросы, связанные с влиянием трехмерной неоднородности электрических и магнитных полей, аксиальным движением электронов, волнами пространственного заряда, усилением многочастотного сигнала, конкуренцией видов колебаний и т.д.

Разработка методов моделирования и анализ подобных явлений могли бы оказать помощь не только в лучшем понимании физических процессов в магнетронных приборах, но и быть полезными для решения более широкого круга задач теории нелинейных колебании и волн в распределенных системах, физики плазмы и др.

Работа магнетронных приборов 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 ряд важных для конструирования вопросов остается за пределами исследований.

Опыт показывает, что использование для анализа и расчета магнетронных приборов инженерных методов расчетов, методов теории подобия, а также программ, построенных на основе простых аналитических или приближенных моделей, не решает многих насущных проблем проектирования.

Численное (компьютерное) моделирование процессов на ЭВМ методом «крупных частиц» позволяет в определенной степени обойти многие вышеуказанные трудности и с приемлемыми для практики затратами машинных ресурсов проводить полный расчет и анализ электронно-волнового взаимодействия в скрещенных полях. Следует отметить большой вклад в развитие численного моделирования приборов М-типа как зарубежных (Yu, Kooyers, Buneman, Vaughan, Hockney, Dobrowski, MacGregor и др.), так и отечественных ученых (Байбурин В.Б., Блсйвас И.М., Вайнштейн Л.А., Галимулин В.Н., Макаров В.Н., МоносовГ.Г., ПетроченковВ.И., Рошаль А.С., Солнцев В.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, моделирование процессов в дрейфе усилителей прямой волны М-типа, расчёт тепловых потерь на катоде в магнетроне и т.д.), что недоступно в рамках приближенного (в частности, адиабатического) моделирования.

Как представляется, одним из факторов, ограничивающих возможности применения численных моделей в практике проектирования магнетронных приборов, 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 ВЧ-волна, и не учитывается возбуждение в приборе паразитных колебаний, появление отраженных волн, усиление многочастотного сигнала (одноволновое приближение). Часто игнорируется разрезная структура анодного блока (приближение "гладкого" анода). В ряде случаев в численных моделях применяется квазиплоское приближение (так, например, строгий анализ цилиндрических усилителей с разомкнутым электронным потоком проводился только в квазиплоском приближении).

Кроме того, в численных моделях процессы анализируются, как правило, в подвижном секторе протяженностью в замедленную длину волны. Такой подход, называемый однопериодным, не является во многих случаях корректным. Он крайне неудобен при численном моделировании приборов, работающих на обратной волне - амплитрона, усилителя обратной волны М-типа с пространством дрейфа, и является помехой (в строгом приближении непреодолимой) для моделирования многоволнового взаимодействия и учета разрезной структуры анода. Для более полного и точного описания магнетронных приборов требуется использование многопериодного подхода, при котором процессы рассматриваются одновременно во всем пространстве взаимодействия.

Весьма существенным ограничивающим допущением является также двумерное приближение (движение электронного облака рассматривается только в радиальном и азимутальном направлениях, процессы в аксиальном направлении игнорируются). Наличие физических эффектов, связанных с

неоднородностью электрических и магнитных полей, аксиальным движением электронов, и существенно влияющих на работоспособность и выходные характеристики приборов, подтверждено многочисленными экспериментами (в частности, в работах Соминского Н.Г., Бондарцева Г.И. и др.). Поэтому моделирование приборов в двумерном приближении не всегда дает адекватное отражение происходящих в них процессов. Строгое компьютерное моделирование магнетронних приборов требует рассмотрения всего трехмерного пространства взаимодействия и учета реальной трехмерной конструкции прибора.

Резюмируя изложенное выше, можно заключить, что актуальной проблемой в области вакуумной и плазменной электроники является компьютерное моделирование, свободное or указанных допущений, расчет и анализ процессов в скрещенных полях с учетом всех трех измерений и других особенностей электронно-волнового взаимодействия,, создание соответствующего программного обеспечения и его применения при проектировании приборов.

Цель и основные задачи диссертационного исследования Целью диссертационной работы является разработка, развитие и уточнение физических представлений о нелинейных явлениях в магнетронных приборах с помощью разработанных численных моделей и компьютерных программ, учитывающих сложный спектральный (многоволновый) характер ВЧ-сигнала и конструктивные особенности трехмерного пространства взаимодействия; применение созданных математических моделей для описания механизмов различных физических ' эффектов в скрещенных полях и определения эффективных путей улучшения выходных характеристик приборов М-типа.

Для' достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

1. Разработка свободных от большинства традиционно применяемых
в теории приборов М-типа допущений математических численных моделей:

многопериодной модели магнетронных генераторов и усилителей,

многоволновой модели магнетронных генераторов и усилителей,

трехмерной модели магнетронных генераторов и усилителей.

1. Разработка программного обеспечения, реализующего основные модельные соотношения, и проведение расчетов характеристик широкого класса магнетронных приборов (магнетронов, амплитронов, цилиндрических дематронов, усилителей прямой волны с пространством дрейфа).

2. Анализ различных физических явлений, остававшихся до последнего времени вне поля зрения как численного, так и приближенного моделирования, и представляющих практический и теоретический интерес. В частности, моделирование и теоретические исследования многоволновых

явлений (взаимодействие с несколькими волнами, включая паразитные колебания и отраженные волны, многочастотпые режимы), выявление эффектов, связанных с трехмерностью пространства взаимодействия, разрезной структурой анодного блока, неоднородностью электрических и магнитных полей и др.

4. Решение практических задач, внедрение разработанных программ в практику проектирования и оптимизации магнетронных приборов.

Методы исследования

Основные результаты диссертационной работы получены при помощи численного моделирования, основанного на методе «крупных частиц», методе конечных разностей, методе сеток и других численных приемах.

Для сравнительной оценки некоторых малоисследованных явлений (трехмерных, многочастотных) были разработаны также и приближенные модели, основанные на адиабатическом ("дрейфовом") подходе.

Научная новизна работы

1. Впервые проанализированы процессы возбуждения одновременно нескольких видов колебаний в магнетронах и работа магнетронов на гармониках различных видов с помощью численного моделирования, учитывающего конкуренцию разных видов колебаний. В частности, определены зависимости токов срыва колебаний (перехода с рабочего вида на "паразитный") от различных факторов; показано наличие зон неустойчивой генерации.

2. Впервые проведена количественная оценка влияния разрезной структуры анода (краевого эффекта электрического поля, движения электронов в межламельном пространстве) на выходные характеристики магнетронов на основе строгого численного моделирования (включая решение всех основных уравнений электронно-волнового взаимодействия). В частности, найдены распределения бомбардировки анода и катода, показано, что при учете разрезной структуры уменьшается расчетное значение КПД.

3. Впервые численными методами проведены исследования структуры электронного облака в магнетроне и магнетронном диоде, позволившие уточнить механизм образования волн пространственного заряда (ПЗ) и провести их количественную оценку, проанализировать возможности снижения негативного влияния волн ПЗ на характеристики (КПД и др.) магнетронов миллиметрового диапазона, в частности, за счет увеличения эмиссии катода.

4. Впервые проведены всесторонние исследования распределений параметров взаимодействия по длине амплитрона и усилителя прямой волны с пространством дрейфа (УПВМ) с помощью численного многопериодного моделирования. Выявлен и объяснен эффект смещения

максимума рассеиваемой на аноде и катоде мощности относительно ВЧ выхода магнетронных усилителей. Разработаны критерии для выбора минимальной длины области дрейфа УПВМ. Показана принципиальная возможность разработки УПВМ, работающего в режиме полного управления входным сигналом.

5. Впервые проанализировано взаимодействие электронного потока с многочастотным ВЧ сигналом с учётом дисперсии замедляющей системы, замкнутости цилиндрического пространства взаимодействия и сил ПЗ на основе строгого численного моделирования. Выявлены основные закономерности многочастотного усиления (перераспределение мощности в спектре с изменением режима питания в амплитроне, преимущественное усиление коротковолновой части спектра в УПВМ и др.).

6. Впервые при анализе процессов в дематроне (на основе численного моделирования процесса взаимодействия электромагнитной волны с разомкнутым цилиндрическим электронным потоком) показаны преимущества цилиндрического дематрона по сравнению с линейным, проведена оптимизация параметров катодной подвозбуждающей системы и эмиссионных характеристик катода.

7. Впервые исследованы зависимости выходных характеристик, распределения бомбардировки анода, катода и торцевых экранов, конфигурации трехмерного электронного облака и трехмерных траекторий электронов в магнетронных приборах от геометрических размеров электродов, неоднородности электрических и магнитных полей с помощью' численного моделирования одновременно всего трехмерного цилиндрического пространства взаимодействия. Показано, что электронная спица может иметь области повышенной концентрации ("элементарные" спицы), разнесенные по высоте прибора. Проанализированы изменения выходных характеристик и процессы срыва колебаний при увеличении степени неоднородности магнитного поля.

8. Впервые показаны возможности применения трехмерного моделирования для оптимизации пространства взаимодействия и конфигурации магнитного поля магнетронного генератора с целью улучшения выходных характеристик прибора, в частности, уменьшения тока утечки, увеличения КПД и обеспечения равномерной бомбардировки анода и катода.

Научная ценность и практическая значимость работы Научная ценность работы состоит в разработке новых математических моделей (включая трехмерные) нелинейных процессов взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком в скрещенных полях, в исследовании и выявлении физических эффектов в магнетронных приборах.

Полученные в диссертации модельные соотношения и алгоритмы (в частности, решение трехмерных уравнений движения, решение трехмерного цилиндрического уравнения Пуассона и др.) носят общий характер и могут быть использованы для широкого круга задач (например, в физике плазмы).

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Создан математический инструмент, позволяющий проводить количественный анализ физических процессов в электронных приборах М-типа.

2. На основе разработанных в диссертации моделей-и алгоритмов созданы компьютерные программы, предназначенные для решения задач практического проектирования магнетронных приборов: оптимизации конструктивных параметров, определения эффективных путей улучшения выходных характеристик. .

3. Результаты исследований позволили выявить ряд особенностей работы приборов, недоступных для анализа методами прямого эксперимента (распределение бомбардировки катода и ламелей, среднее «время жизни» электронов в пространстве взаимодействия, эффективность эмиссионных процессов и т.д.) и исследовать физические эффекты (конкуренция видов, наличие одиночных сгустков ПЗ и др.), расширяющие представление о физике взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком в скрещенных полях.

4. Результаты внедрения разработанных программ нашли свое отражение в целом ряде НИОКР, входивших в план важнейших работ отрасли (в том числе в 10 работах, в которых автор был ответственным исполнителем).

5. Результаты теоретических исследований нашли применение при разработке высокоэффективных магнетронных приборов. В частности, разработанные программы внедрены в отделении разработок СВЧ приборов в "ОКБ Тантал", "Тантал-Наука" и других предприятиях и организациях, о чем имеются соответствующие акты внедрения. Их применение вряд ОКР "Ванмин", "Валдай", "Вираж", "Новгород", "Бут", "Бон", "Беркут" и-др, при , разработке и оптимизации новых приборов позволило сократить число промежуточных экспериментальных макетов и тем самым снизить стоимость разработки изделий. В настоящее время разработанные программы используются в конструкторских работах по темам "Ванмин", "Вартан", "Бут-99" и др., о чем также имеются соответствующие акты внедрения.

6. Материалы диссертации внедрены в учебный¹ процесс и используются в курсах "Вычислительная математика", "Аналоговое и дискретное моделирование", читаемых студентам факультета электронной техники и приборостроения Саратовского государственного технического университета.

Достоверность полученных результатов определяется:

7. Корректностью и строгостью применяемых математических методов, предварительной оценкой допускаемых приближений и погрешностей.

8. Соответствием результатам, полученным другими авторами с помощью ранее апробированных методов, и общефизическим представлениям о характере процессов в приборах М-типа.

9. Соответствием основных теоретических результатов и выводов экспериментальным данным.

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались на следующих конференциях: X Всесоюзной конференции по электронике СВЧ (Минск, 1983 г.); XI Всесоюзной конференции по электронике СВЧ (Орджоникидзе, 1986 г.); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы применения СВЧ - энергии» (Саратов, 1993 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 1994 г.); Первой Поволжской конференции «Научно-исследовательские разработки и высокие технологии двойного применения» (Самара, 1995 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 1996 г.); Второй Саратовской межвузовской конференции «Спектроскопия и физика молекул, проблемы преподавания физики» (Саратов, 1997 г.); Всероссийской межвузовской конференции «Современные проблемы электроники и радиотехники СВЧ» (Саратов, 1997г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 1998 г.); Второй международной конференции «Моделирование интеллектуальных процессов проектирования и производства» (Минск, 1998 г.); Международной университетской конференции «Электроника и радиофизика СВЧ» - UHF99 (Санкт-Петербург, 1999 г.); а также на отраслевых КНТС по приборам М-типа на предприятиях ("Исток" -Фрязино, "Торий", "Плутон" - Москва, "Тантал", "Алмаз", "Контакт" -Саратов), на заседаниях кафедр в Харьковском институте радиоэлектроники, Санкт-Петербургском государственном техническом университете, Московском энергетическом институте, Московском институте математики и электроники, Саратовском государственном университете, Саратовском государственном техническом университете.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы изложены в 53 опубликованных печатных работах (32 статьях, 4 текстах докладов, 13 тезисов докладов, 4 патентах на изобретения), а также 10 отчетах по

НИОКР. Список основных публикаций, содержащий 36 наименований, приведен в конце автореферата.

Вклад автора

Постановка всех основных задач, являющихся предметом исследований диссертации, выбор методов решения проблемы, разработка моделей и алгоритмов программ принадлежат автору. Автором проведены также исследования и анализ физических эффектов в магнетронных приборах.

Общее направление и тематика диссертационного исследования выбраны автором во многом благодаря поддержке и под влиянием научных идей Заслуженного деятеля науки РФ, доктора физико-математических наук профессора БайбуринаВ.Б. и доктора физико-математических наук профессора Ильина Е.М. Автор признателен также начальнику лаборатории разработок ЗАО «Тантал-Наука» Еремину В.П. за плодотворное обсуждение и экспериментальную проверку разработанных моделей. Почти все остальные соавторы являются аспирантами и студентами старших курсов, ведущими научную работу под руководством диссертанта.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

10. Разработанные численные двумерные многопериодные многоволновые модели магнетронных приборов позволяют адекватно описывать процессы взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком в скрещенных полях, в том числе физические эффекты, связанные с многоволновыми явлениями, азимутальными и радиальными неоднородностями (наличием одновременно анодной и катодной замедляющих систем, неоднородностью эмиссионных свойств катода и/др.), проводить всесторонние исследования магнетронных генераторов и усилителей (прямой и обратной волны).

11. Результаты компьютерного моделирования магнетронных генераторов, позволившие провести количественную оценку и уточнение механизмов ряда эффектов, в частности:

конкуренции разных видов колебаний и «перескока» между видами, работы на гармониках разных видов с учетом их конкуренции;

влияния разрезной структуры анода на характеристики прибора, приводящего к уменьшению КПД, неравномерной бомбардировке анода и катода;

возникновения уединенных устойчивых самоподдерживающихся электронных сгустков, приводящих к появлению «нулевого» тока и уменьшению КПД магнетронов, и др.

3. Выявленные (в результате компьютерного моделирования
магнетронных усилителей с замкнутым электронным потоком) следующие
закономерности:

уменьшение пространственного заряда в области выходных ячеек и смещение максимумов рассеиваемой на катоде и аноде мощности относительно ВЧ-выхода в усилителе прямой волны с пространством дрейфа (УПВМ);

отрыв электронной спицы от анода и частичная (до 50%) демодуляция электронного потока в холостой ячейке амплитрона;

демодуляция электронного потока и восстановление пространственного заряда на начальном участке дрейфа УПВМ с сохранением остаточной модуляции (до 20%) электронного потока на остальном участке дрейфа, независимо от его длины и эмиссионных свойств катода;

перераспределение мощности в спектре многочастотного сигнала с изменением режима питания амплитрона, преимущественное усиление коротковолновой части спектра в УПВМ и др.

4. Выявленные (в результате компьютерного моделирования
магнетронных усилителей с разомкнутым электронным потоком)
следующие особенности работы цилиндрических дематронов:

расширение зоны рабочих напряжений и уменьшение входной мощности при подаче сигнала подвозбуждения на катодную замедляющую систему;

существование оптимальной длины неэмиссионного покрытия катода, при котором обеспечивается максимальный КПД.

5. Разработанная численная трехмерная многопериодная модель магнетронных приборов позволяет анализировать процессы одновременно во всем трехмерном цилиндрическом пространстве взаимодействия с учетом реальной конфигурации системы электродов и мапіитной системы и проводить оптимизацию конструкции магнетронных приборов с целью улучшения их выходных характеристик.

6. Результаты компьютерного моделирования магнетронных приборов, позволившие проанализировать и выявить ряд особенностей следующих «трехмерных» явлений:

зависимости выходных характеристик, распределения мощностей, выделяемых на катоде, аноде и торцевых экранах, конфигурации электронного облака и траекторий электронов от различных факторов (конструкции пространства взаимодействия, неоднородных электрических и магнитных полей и др.);

паличне в электронной спице при определенных условиях областей повышенной плотности заряда, разнесенных по высоте прибора; *

уменьшение КПД, сужение области устойчивой работы и срыв генерации при увеличении степени неоднородности магнитного поля;

возможность повышения КПД и обеспечения . равномерной бомбардировки электродов . путем' компьютерной оптимизации трехмерной конфигурации пространства взаимодействия.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения.

Работа изложена на 430 стр. машинописного текста, из них 344 стр. основного текста, включая 149 рис. на 119 стр., 33 стр. библиографического списка из 310 наименований, приложения на 46 стр.

Первые три главы посвящены разработке численных двумерных моделей магнетронних приборов. Четвертая и пятая главы посвящены анализу различных многоволнозых явлений в магнетронних генераторах и усилителях. В шестой и седьмой главах описаны численная трехмерная модель магнетронных приборов и результаты ее применения. Разработанные "адиабатические" модели вынесены в приложение.