Введение к работе
Актуальность проблемы. Использование радиоволн СВЧ-диапазона связано с развитием приборов большой и сверхбольшой мощности. На сегодняшний день имеется большое число разработок в области создания источников сверхмощного СВЧ излучения. Тем не менее, остаются нерешенными проблемы вывода и формирования излучения, повышения энергетической эффективности процесса генерации, стабилизации и управления спектральными характеристиками.
Значительное количество публикаций, посвященных исследованиям релятивистского магнетрона, показывает, что он является перспективным генерирующим СВЧ-прибором дециметрового диапазона. Данный прибор отличается высокой эффективностью генерации, простотой конструкции, возможностью работы в широком диапазоне питающих полей. Большое число работ посвящено исследованиям, в которых магнетрон выступал не только как самостоятельный генератор, но и как источник излучения в составе синхронизированных когерентных модулей.
Известно, что работа релятивистского магнетрона, как и большинства сверхмощных СВЧ-генераторов, характеризуется модовой нестабильностью, проявляющейся в спонтанных изменениях амплитудных, временных и частотных параметров генерируемых СВЧ-импульсов. При этом непосредственное использование для релятивистского магнетрона классических методов стабилизации основного рабочего вида, таких как связки и внешние высокодобротные резонаторы, ограничено высоким уровнем генерируемой мощности и малой длительностью импульса. Также для релятивистского магнетрона актуальна проблема увеличения выводимой из резонансной системы мощности, что связано с развитием высокочастотных пробоев в выходных волноводных трактах.
Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы улучшения спектральных и энергетических характеристик излучения релятивистских СВЧ-приборов, поиска новых методов воздействия на процессы генерации.
Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании способов стабилизации и управления энергетическими и спектральными параметрами генерации релятивистского магнетрона и создании на его основе высокостабильного, управляемого лабораторного источника сверхмощного СВЧ-излучения.
В работе определены следующие задачи исследования.
Исследовать автоколебательные процессы в многорезонаторном магнетроне с внешней связью резонаторов. Изучить влияние внешней связи на существование и устойчивость видов колебаний.
Осуществить синтез каналов внешней связи резонаторов магне-
трона с распределением колебаний по системе нагрузок с заданным амплитудно-фазовым профилем.
3. Экспериментально исследовать влияние внешней связи резонаторов релятивистского СВЧ магнетрона на энергетические, временные и спектральные характеристики процесса генерации. Реализовать распределенный вывод и пространственное формирование СВЧ-излучения релятивистского магнетрона.
Объектом исследования является релятивистский СВЧ-магнетрон с внешней связью резонаторов анодного блока.
Предмет исследования - закономерности процесса генерации в релятивистском магнетроне дециметрового диапазона в зависимости от параметров внешних каналов связи.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались следующие методы: модельные эксперименты с маломощными аналогами и эксперименты со сверхмощным релятивистским СВЧ-магнетроном; методы статистической обработки измерений; метод эквивалентных схем; метод медленно меняющихся амплитуд; методы анализа устойчивости динамических систем; методы вычислительной математики; методика определения мгновенного спектра сигнала; метод компьютерного моделирования.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Для двух взаимосвязанных автоколебательных систем СВЧ-
диапазона распределённый вывод энергии со стабильными амплитудно-
фазовыми соотношениями реализуется для синфазного или противофаз
ного режимов генерации систем путем добавления в волноводный канал
связи нагрузок-излучателей при следующих конфигурациях канала связи:
длина канала связи для синфазного режима кратна длине волны, а для противофазного - нечетному числу полуволн;
излучающие нагрузки расположены вдоль канала на расстоянии кратном половине длины волны друг от друга;
устойчивость когерентного режима обеспечивает единственная стабилизирующая нагрузка, расположенная в точке противофазного суммирования колебаний систем.
Внешняя связь резонаторов релятивистского магнетрона, представляющая собой волноводный канал с включенным в него электрически симметрично излучателем при рассогласовании излучателя приводит к формированию области гистерезисной неустойчивости, имеющей периодическую структуру с шириной петли, пропорциональной длине канала связи. Разные состояния петли гистерезиса соответствуют конкурирующим подтипам рабочего вида колебаний магнетрона.
Внешняя связь резонаторов релятивистского магнетрона, вы-
полненная в виде волноводного канала с электрически симметричным излучателем, стабилизирует характеристики импульсов СВЧ-излучения рабочей моды: обеспечивает селекцию видов колебаний, сужает спектр излучения до 1 %, уменьшает среднеквадратичный разброс амплитуды до 5%, повышает мощность и энергию излучения.
Достоверность основных результатов и выводов.
Достоверность и обоснованность научных результатов диссертации обеспечиваются использованием в предложенной конфигурации канала связи резонаторов магнетрона ранее изученных и апробированных свойств когерентных систем.
Стабильность амплитудных и фазовых соотношений сигналов в канале связи с распределенным выводом излучения релятивистского магнетрона подтверждается модельными экспериментами с маломощными СВЧ-автогенераторами и результатами экспериментов по пространственному формированию сверхмощного СВЧ-излучения.
Автоколебательная модель магнетрона со связанными резонаторами построена с привлечением известных положений теории и практики взаимной синхронизации автогенераторов. Адекватность модели подтверждается результатами анализа локальной устойчивости синхронных движений системы без внешней связи и с внешней связью резонаторов.
В пользу достоверности экспериментальных результатов говорит тот факт, что в процессе исследования релятивистского магнетрона объем зафиксированных и обработанных импульсов СВЧ-излучения составил порядка 105, а все точки экспериментальных характеристик усреднялись по результатам 5-10 отдельных измерений.
Достоверность экспериментальных измерений также обеспечивалась регулярным контролем метрологических характеристик измерительного оборудования и классом точности использованных приборов.
Научная новизна заключается в следующем.
Предложен новый подход к рассмотрению автоколебательных процессов магнетрона, основанный на методах классической теории колебаний. В рамках данного подхода колебательная структура магнетрона представляется как совокупность отдельных генерирующих подсистем, связанных друг с другом через внутренние и внешние каналы связи.
Впервые исследована система двух взаимносинхронизирован-ных автогенераторов, цепь связи которых содержит произвольное число общих нагрузок, отличающаяся селективным влиянием элементов цепи связи на стабильность синхронного режима и на энергетические характеристики колебательной системы.
Проведено экспериментальное исследование оригинальной схемы релятивистского СВЧ-магнетрона с внешней связью резонаторов
анодного блока. Впервые экспериментально обнаружено явление гисте-резисной частотной неустойчивости процесса генерации релятивистского магнетрона с внешней связью резонаторов и определены условия возникновение подтипов колебаний.
Предложен новый способ управления параметрами генерации релятивистского СВЧ-магнетрона, основанный на объединении резонаторов анодного блока внешним трактом связи с нагрузками. Данный способ позволяет улучшить энергетические и спектральные характеристики импульсов, осуществить распределённый вывод сверхмощного СВЧ-излучения. Результаты работ в данном направлении исследований защищены патентами Российской федерации № 2190281 и № 2228560.
Разработан оригинальный лабораторный источник сверхмощного импульсного СВЧ-излучения.
Научная значимость работы состоит в следующем.
Исследована автоколебательная система со сложной резонансной структурой, в которую введены внешние управляющие связи. Показана применимость методов теории взаимной синхронизации для описания колебательных процессов и их стабилизации в магнетроне со связанными резонаторами.
Представление магнетрона в виде автоколебательных подсистем позволяет адекватно описывать их взаимодействие через внешний канал связи и оценить влияние параметров канала на устойчивость когерентного движения.
Доказана эффективность влияния внешних связей резонаторов релятивистского магнетрона на спектральную стабильность излучения.
Разработанный лабораторный источник сверхмощного импульсного СВЧ-излучения предоставляет широкие возможности по исследованию воздействия внешних связей колебательной системы релятивистского магнетрона на характеристики процесса генерации.
Практическая значимость.
Предложен новый способ управления параметрами излучения генерирующих приборов сверхмощной СВЧ-электроники.
Предложена методика, позволяющая синтезировать каналы связи резонаторов релятивистского СВЧ-магнетрона при построении источников направленного излучения.
Созданный лабораторный источник СВЧ излучения на релятивистском магнетроне с линейным индукционным ускорителем использован при выполнении грантов РФФИ №98-02-16610, № 05-08-01210а и №06-08-08013офи.
Личный вклад автора. Все представленные в работе материалы и экспериментальные результаты получены лично автором, либо при его
непосредственном участии. Непосредственно автором выполнено следующее: разработка автоколебательной модели магнетрона с внешними связями резонаторов; теоретический расчёт и экспериментальное исследование характеристик системы двух взаимносинхронизированных автогенераторов; проектирование волноводных элементов канала внешней связи резонаторов релятивистского магнетрона; создание программно-аппаратного комплекса автоматизации работы экспериментальной установки; проведение всех этапов экспериментального исследования релятивистского магнетрона; анализ и интерпретация полученных экспериментальных данных.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 27 работ, в том числе 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, получены 2 патента Российской федерации №2190281(2002 г.) и № 2228560 (2004 г.).
Апробация результатов. Основные результаты и защищаемые положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических форумах: 12th International symposium on high current electronics. Russia, Tomsk, 2000; 7th Korea-Russia international symposium on science and technology, KORUS-2003. Republic Korea, Ulsan, 2003; Современные проблемы физики и высокие технологии. Международная конференция, посвященная 125-летию ТГУ, 75-летию СФТИ и 50-летию РФФ ТГУ. Томск, 2003; 13th International Symposium on high current electronics. Russia, Tomsk, 2004; Актуальные проблемы радиофизики «АПР-80». Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию кафедры радиоэлектроники РФФ ТГУ. Томск, 2006; 14th International symposium on high current electronics. Russia, Tomsk, 2006; 7th IEEE International vacuum electronics conference (IVEC/IVESC 2006). Monterey, CA. USA, 2006.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений. Общий объем- 191 страница, включая 5 таблиц, 67 рисунков и 129 источников в списке литературы.
