Введение к работе
Актуальность проблему. Развитю электроники СВЧ
сопровождается повышением требовашй к качественным
характеристикам СВЧ аппаратуры. В настоящее время все более широкое пришненш находят шгнвтрош с вторичнхашссшнным (голодным) катодом и автоелшссионшм запуском. Преимуществами таких приборов являются отсутствш дополнительных энергетических затрат на подогрев катода, отсутствие жголнигельной цепи питания . (накала), что упрощает их віссплуаташш» а главное - практически мгновенно время готовности, необходимое для бортовых систем.
К недостаткам кштатронов с вторичноэмиссшнным катодом и
автоєшссиснаш запуском можно отнести склонность к нестабильной
работе, искажениям и-швшенкеліу уровню побочных колебаний спектра
выходного сигнала. ".'-''.''.
Проблема, апектромагнииюй совлоспаюсти (ЗЖ) радахредств стоит.в современной радисшеягроника весьма остро и выдвигает растдаэ требования - я источнику СВЧ энергии.- Значения частот составлящих спектра, ' уровня пиковой мэщнссти и спектральная шаткость генерируемых коаксиальным магнетроном (КМ) сигналоз зависят." от многих ; факторов, вхлвчайцих резонансные свойства голебательной .системы; и." выходного устройства,. резонансные состояния, или неустойчивости, еаіектроншго штока, парештры тодуяирувдего импульса и др., и во многом сщюдэяяепся динамикой электронного штока. В частности, .имеются- в виду мэхвнязш, связанные с резонанснимиявлениями в замкнутом потоке, (в том число и нэ зависящими от ^еквдяшалячесхих шрактерпстик ісолесательноп систеглл), с эффектами нелинейных взаимодействий потока и СВЧ полей (усиление пумовда: колебания, умножение -частота, появление ко:л5игацгюннви .составлящих я т.п.) с эффектами при йоршрсвашіи погоїш на фронта годуякрущого импульса и т.д. С позиций ЭЖ Баяно имэть низкие уровни побочных колебаний как сигнала в СВЧ тракте» так и сигнала вкетрактового кзлучзния (ВІЮ.
Дальнейшее соверяекствованиэ приборов шгяетронного типа и говигешэ IE конкуреїшїоспособігостії относительно других ЗВП СВЧ в свате указанных проблем требует тщательного .изучения механизмов формирования и динамических характеристик трехмерных электронных
потоков в скрещенных поляг.
Азимутальная и аксиальная неодаорэдассть электрических и магнитных скрещенных полей оказывает существенное влияние на поведение пространственного заряда (IB) в приборах магнетронного типа [Коллинз, Л.С.Родшъ, Г.Г.Соминский и др.З. Разрезная структура анодного блока, краевые поля» обусловленные конечностью осевой длины прибора и 'наличием катодных экранов, осевая и азимутальная неоднородность внешнего магнитного поля приводят к сложным колебательным состояниям в облаке пространственного заряда, которые имзхгг существенно трехмерный характер и затрудняют псстроенниэ строгой самосогласованной аналитической теории процессов взаимодействия в магнетроне.
Теоретические оценки показывают [Банеман], что величина собственного магнитного поля адектронюго потока меньше чем на порядок значения индукции внешнего статического магнитного поля ь приборах М-гкта к интегральные выходные характеристики (мощность, к.п.д-, частоту) существенно не изменяет.' Однако влкяниз собственного магнитного поля потока на динамические флуктуацгоннне характеристики трехмерного пространственного заряда до сих пор не рассматривалось.
Исследование этих и других особенностей взаимодействия электронного потока с эдектротгнитнымя тлями возможно лишь с помощью ттеттического моделирования, которое является сейчас одним из наиболее эффективных методов исследования в электронике СВЧ. Оозданке строгих математических модзлей и методов - их численной реализации представляет собой важнейшую часть проблемы, которая связана с заменой дорогостоящих и трудоемких натурных экспериментов гораздо более ' информативными и экономичными численными экспериментами.
Достигнутые успехи в области - численного моделирования процессов взаимодействия в системах М-типа [А.С.Рошаль, В.Б.Байбурин, А.А.Шадрин и др.) показали перспективность моделирования и возможность включения моделей в общую структуру САПР ЭБП СБЧ. Вместе с тем расхождение количественных результатов натурного и численного экспериментов для ряда однотипных приборов свидетельствует о несовершенстве тех исходных представлений о процессах взаимодействия в скрещенных солях, на основе которых
.4
строятся численная модель. Таким образом, на сегодняшний день остается актуальной проблема создания адекватних численных моделей электронных приборов М-типа с гарантированным диапазоном погрешности расчета для. научных исследований и САПР ЗЗП СВЧ.
Нелыо работы является исследование моголом шкленного моделироваши процессов форміфованш и дішгшчесікк хараісгєркстіЕ-трехмерного электронного потока при каличгзї пеоднородитл статических электрического я кагшгпюго полой с учетом собственного квазистатіиеасого магнитного поля потока на Фронте модулирущего импульса и в стадаокзрксгд решав генерации коаксиального магнетрона с голодным катодом и штсємжсжшжм запуском.
Научная новттащ получэянш: результатов зщанягется в следуэдем.
-
Разработана и іфограшпо реализована числзнпая тразмзрэя модаяь автогенератора М-ткпа.
-
Выявлены и исследованы факторы, пренебреиэнш которыми гфи численном моделировании приборов магазтронного тала приводит к существенным расхождениям расчатньп: и экспврю.'ептальных данных. Показана необходимость их включения в адекватнув чіїсленную шдель для САПР ЭВП СВЧ.
3- Определен механизм сформирования электронного потока на фронте юдулирущего импульса коаксильного кагнегрона с втсрігеноЕМиссюїшм катодом и автоэмкссионшм запуском, а тшетэ выявлены особенности вогбухздзнш рабочего вида колебаний.
-
Определены и исследованы неустойчивости и щуглы трехмерного электронного потока КМ в стащюнарком, рзжзме генерации в зависимости от различных факгороз: рабочего режима, геометрических размеров іяюстранства езшсюдєйсгвіїяЧШ), эмиссионной способности катода, неоднородности магнитного поля.
-
Показано влияние на дккашку и колебания Гфсстранственкого заряда собствешого їшазіхтатического магнитного поля электронного потока в приборах магштроиного хита.
На заитау выносятся следущкв ссновшэ положения.
1. Модель и методика тредагршго численного моделирования процессов взаиздадействия зяектрсяпж потоков с электромагнитными подшз в автогенераторах М-аяпа.
-
ДэказатедъсхЕо того, что в часяашой трахшрюй модели для получения корректные количвотвеннш; результатов ЕЭСбХОДШЗ учитывать искажение гростраштвэшой структуры СВЧ паяя рабочей гармоники зашдлящей системы (ЗС). которая распространяется только до сшкронтго радиуса электронного потока как поверхности с бесконечной полной проводимостью для этой гармоники, шодаородность шекгростатичаского поля, обусловленную торцевыми оохастями, концевыми катодными экранами и разрезюй структурой анодного блока» Бводюродюсть шгштного поля за счет несоосностей, перекосов и форма шшсньк наконечников, а также прикатодаый минимум потенциала.
-
Результаты исследования условий стабильной работы КМ с голодным катодом и автсешссыэншм запуском на фронте юдулкруюцего кмпульса, механизм формирования облака прссггранственюго заряда, условия ударного возбувдэния 'вида колебаний анодной ЗС. . _
-
Результаты исследований динамики трекерного ааектроншго потока в режима стационарной генерации в зависимости от рабочего режима магнетрона» шиссконшй способности катода» шоднороднссти магнитного ноля, собственного нвазисталиэского магнитного поля Гфостранстванюго заряда, а \ также взаимосвязи радиальных к азимутальных колебаний потока с аксиальными колебаниями»
Практическая иенность. Научные, результаты, содеркащиеся в диссертации: разработанные методы численного шделкрованкя процессов взаимодействия трзжмэрных электронных потоков, в скрещенных полях, исследование : .численных погрешностей ' и определение условий адакватвэсти моделирования - могут быть шгюсредствешэ использованы при разработке САПР ЭВП СВЧ М-типа. Выявленные основнш факторы, существенно ! влиявшие на . совпадение количественных и качественных результатов натурного и численного Еїссгоркмзнгаз представляаіг большой интерес с точки зрения теории ттештического моделирования СВЧ генераторов и усилителей М-типа.
Полученные результаты исследований процессов формирования и динамических характеристик трехмерного электронного потока на фронте модулирущвго шпульса и в стацшкарноы режиме генерации КІЛ с холодным катодом и автоэмшсизншм запуском могут быть использованы для дальшйшго совершенствования таких приборов.
устранения присущих юл недостатков, а такие при анализе причин отказов ЗВП СВЧ Капала..
Обоснованность и достоверность результатов и вызодсз диссертации обусловлена адекватігостьи исходна фпзігевских предпосылок и разрабогангой шгештичзской модели реальным процессам в генераторах М-типа; использованием математически корректных численных методов решения; контролем точности численных расчетов; качественным щцтвервдрнвзм результатов теорэтичэских исследований натурным экспериментом; согласованность!» с ..рззультатами, полученными другими авторами.
Апробация работа и публитгярви. ' Результаты работы
докладывались и оссуздались на Всесоюзном яаучю-техшчзском симпозиума "Злектрошгнитная . сса\!эстймосгь радшзлвкгронных средств", Мэсква, 19S6 г., на Всесозшых научіво-техническкх конференциях "Актуальные цроблач&і пгєїстроішого цриЗорссгроення,г, Новосибирск, ВЭТЙ, 1388 г., 1990 г., на Всесоюзном семинаре "Искажения и коррекция сигналов в электронных приборах СВЧ", РЛхква. МИЗМ, 1988 г., на. еестой Есесоюзгой иколв-ссЕЄчанки' молодых ученых и специалистов "Стабилизация частоты", Канзв, 1339 г., ка восьмой'зимней школе-сешнарэ нннэнеров, Саратов, 1930 г., на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы представления и.обработки случайных сигналов и шлей", Харьков, ХИРЭ. 1389 г., на втором мзяеєдрмствєнвом гаучію-техЕическсм сємитаро, Харьков, ИРЭ АН УОСР, .1987 г., на лрс!фесх»рсіїО-прегояаішшьских конференциях СГУ, Симферополь. 1935-1990 гг., а тага были использованы в НИР ТЬвместимэсть-Х-84% Харьков, ХЙРЭ, 1986 г. и НИР "Салон", Мытищи, в/ч 67947» 1939 г. lb материалам диссертации опубликовано тринадцать печатных работ.
Личный вклад диссертанта в работы, ташзсанЕыз в соавторстве, закликается в реаения поставленных задач, разработке алгоритмов и программ, проведения вычислительных и натурных экспериментов, анализе полученных результатов.
Структура и объем диссертации, диссертационная работа состоит из зведзнкя, четырех разделов, заключения (139 страниц' основгого текста), содержит 67 рисунков (39 страниц) и вїишчаег список использованных источников из 107 наименований (14 страниц). Общий объем диссертации 185 страниц.
