Содержание к диссертации
Введение
Глава I. "Холодная" модель ГДИ с распределенным по полосе источником возбуждения открытого резонатора 13
1.1. Функции дифракционной решетки в ГДИ 13
1.2. О физических представлениях действия ГДИ 18
1.3. Моделирование при исследованиях физики работы ГДИ 24
1.4. Построение "холодной" модели ГДИ с распределенными по полосе источниками возбуждения ОР. Анализ возможностей такой модели 29
1.5. О коэффициенте эффективности запитки ОР ГДИ 38
Глава 2. Исследование несобственного излучения из открытого резонатора ГДИ на "холодной" модели ГДИ 46
2.1. Излучение из открытого резонатора ХМ ГДИ 46
2.2. О форме поля дифракционного излучения, запитывающего ОР ГДИ 57
2.3. Физические исследования образования несобственного излучения из открытого резонатора ГДИ 64
2.4. О возможности повышения выходной мощности ГДИ за счет вывода энергии несобственного излучения 76
Глава 3. Физические исследования процесса трансформации поля дифракционного излучения в собственное поле ОР ГДИ 81
3.1. О зависимости выходной мощности при механической и комбинированной перестройках ГДИ 81
3.2. О фазовых характеристиках процесса трансформации поля дифракционного излучения в собственное поле OP ГДИ 95
3.3. Об особенностях механизма обратной связи в ГДИ 112
3.4. О математическом моделировании процесса трансформации поля дифракционного излучения в собственное поле ОР ГДИ 128
Глава 4. Модифицированный генератор дифракционного излучения 139
4.1. Построение непрерывно откачиваемого макета модифицированного генератора дифракционного излучения 139
4.2. Несобственное излучение из ОР "горячего" макета ГДИ 146
4.3. Некоторые особенности выходных характеристик ГДИ 155
4.4. Параметры генератора дифракционного излучения с механизмом коррекции фазы обратной связи 166
Заключение 177
Литература
- Моделирование при исследованиях физики работы ГДИ
- О форме поля дифракционного излучения, запитывающего ОР ГДИ
- О фазовых характеристиках процесса трансформации поля дифракционного излучения в собственное поле OP ГДИ
- Некоторые особенности выходных характеристик ГДИ
Введение к работе
Интенсивное освоение миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн продиктовано быстрорастущими потребностями многих отраслей науки и техники. Использование волн этих диапазонов позволяет получить качественно новые результаты в исследовании различных физических, астрофизических, биологических и химических процессов. Освоение миллиметрового и. субмиллиметрового диапазонов длин волн открывает новые возможности в радиолокации, связи, телефонии, телевидении, спектроскопии [І~$] а также для решения различных исследовательских задач неразру-шающего контроля диэлектрических материалов и изделий. Необходимо отметить, что системы неразрушающего контроля, работающие в двухмиллиметровом диапазоне, практически не уступают по разрешающей способности рентгеновским методам, и получаемая при помощи этих средств контроля информация о величине и распределении неоднородностеи в диэлектриках не может быть получена ни одним из традиционных методов разрушающего и неразрушающего контроля [9].
Активное использование волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов определяется, прежде всего, наличием высококогерентных источников генерации, которые должны иметь для каждого конкретного случая необходимые параметры J4Q] . Развитие науки и техники, создание новых совершенных технологий позволило к настоящему моменту организовать изготовление большого числа разнообразных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, таких как магнетроны, клистроны, ЛОВ, МЦР, ГДИ и пр.
Основу работы генератора дифракционного излучения (ГДИ)[Н] составляет эффект дифракционного излучения, который представляет собой, в узком смысле слова, эффект превращения кинетической энергии заряженных частиц в энергию объемных волн СВЧ излучения при пролете частиц над периодической структурой [12,ІЗ].
В широком смысле слова под дифракционным излучением понимается класс явлений, связанных с излучением источников поля, движущихся вблизи различного рода неоднородностей, если это излучение не сводится к излучению Вавилова-Черенкова или переходному излучению.
Существование этого явления впервые было предсказано И.М.Франком [ 14] , который совместно с В.Л.Гинзбургом указал на возможность применения его для генерации электромагнитных волн. Несколько ранее, в конце 30-х годов, во время опытов с излучением Вавилова-Черенкова дифракционное излучение наблюдалось К.И.Крыловым. Но первая публикация результатов экспериментальных исследований дифракционного излучения в световом диапазоне принадлежит С.Смиту и Э.Парселлу [\5] .
В середине 60-х годов в ИРЭ АН СССР и 1Ш1 АН СССР была показана на практике принципиальная возможность генерирования электромагнитных волн миллиметрового диапазона с использованием эффекта дифракционного излучения ЦВ] «В конце 60-х годов в ИРЭ АН УССР под руководством академика В.П.Шестопалова были организованы исследования по разработке генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, использующих этот эффект. Уже первые генераторы дифракционного излучения позволили получить в непрерывном режиме выходную мощность и стабильность на несколько порядков превосходящие соответствующие показатели, достигнутые генераторами, описанными в работе |Ч6] Последующие конструкции ГДИ позволили перекрыть практически весь миллиметровый и частично субмиллиметровый диапазоны - б - длин волн. При этом ГДИ по большинству своих параметров 1\\] превзошли используемые до настоящего момента генераторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн и сохраняют тенденцию к дальнейшему совершенствованию.
Достигнутые успехи стали возможными в результате широкого» и всестороннего подхода к поставленной проблеме. С одной стороны, харьковской школой дифракции, руководимой академиком АН УССР В.П.Шестопаловым, были разработаны строгие методы теории дифракции - метод задачи Римана - Гильберта [{7,18], метод полуобращения и различные проекционные методы U9) , которые были с успехом применены для решения ряда задач дифракционной электроники. С другой стороны, важную роль сыграли экспериментальные методы исследования и отработки ГДИ. В ходе экспериментальных исследований создавались десятки новых конструкций и модификаций ГДИ, улучшающие его характеристики.
Физические процессы, происходящие в дифракционных генераторах, носят весьма сложный характер. Современная физическая трактовка принципов работы ГДИ такова: в пространство дрейфа влетает смодулированный поток электронов, фокусируемый продольным постоянным магнитным полем. В процессе пролета над решеткой, нарезанной в виде полосы на одном из зеркал открытого резонатора [20], происходит модуляция пучка собственным полем высокодобротного открытого резонатора (ОР) и одновременно возникает эффект Смита-Парселла: кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию объемных волн, уходящих от решетки. ОР позволяет концентрировать и выводить когерентное высокочастотное излучение и одновременно обеспечивает положительную обратную связь.
Априори ясно, что энергия дифракционного излучения системы "дифракционная решетка - электронный пучок" не может со 100% эффективностью превратиться в собственное поле 0Р ГДИ. Естественным образом возникают вопросы о степени эффективности трансформации энергии поля дифракционного излучения в энергию собственного поля ОР, о каналах расходования оставшейся энергии, о том, как сказывается на выходных параметрах ГДИ нестопроцентное использование энергии излучения электронного пучка и т.д. Перечисленные проблемы характерны только для приборов класса дифракционной электроники, так как использование объемных волн дифракционного излучения является их отличительной чертой от всех остальных известных на данный момент генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.
Цель настоящей диссертационной работы состоит в изучении особенностей электродинамики ГДИ - определении каналов расходования энергии излучения электронного пучка, исследовании фазовых характеристик процесса образования обратной связи в генераторе и, на основании этих исследований, в установлении новых данных для создания более эффективных ГДИ.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
В главе I проведен анализ теоретических и экспериментальных методов и средств, использовавшихся для физического исследования отдельных элементарных картин в полной физической картине работающего ГДИ. Отмечено, что в экспериментальном плане одним из основных методов познания физики работы ГДИ является метод "холодного" моделирования. Определены функциональные назначения каждой из применявшихся ранее моделей; показано, почему с помощью этих моделей нельзя рассматривать вопросы построения энергетического баланса в ГДИ.
Для исследования некоторых аспектов энергетического баланса ГДИ, а именно, процесса трансформации энергии дифракционного излучения в энергию собственного поля ОР ГДИ, в первой главе предлагается экспериментальная безвакуумная модель ГДИ с источником возбуждения ОР, распределенным по полосе, что имеет место в реальном генераторе. Доказывается её адекватность оригиналу. G помощью предложенной модели впервые проводится оценка коэффициента эффективности запитки (КЭЗ) ОР ГДИ полем дифракционного излучения системы "электронный пучок - дифракционная решетка". Под КЭЗ ОР некоторым конкретным источником возбуждения понимаем отношение всех потерь собственного поля ОР к мощности источника. Показывается, что даже в лучшем случае КЭЗ не превышает величины 0,2, т.е. не более 20/ энергии поля дифракционного излучения трансформируется в энергию собственного поля ОР ГДИ.
Полученный результат делает необходимым постановку задачи о выяснении причин происходящего, что, в конечном итоге, должно дать рекомендации к совершенствованию ГДИ.
Во второй главе проведены экспериментальные исследования излучения из ОР рассматриваемой модели ГДИ, т.е. из ОР, у которого источник возбуждения распределен по полосе. Проведена селекция собственного и несобственного излучения. Под собственным излучением из ОР понимаются дифракционные потери резонансного поля ОР. Под несобственным излучением подразумевается та часть поля источника возбуждения, которая в монографии [2JJ определяется нерезонансным фоном. Определено, что при таком способе возбуждения имеет место существенное преобладание несобственного излучения над собственным. Для выяснения причин наблюдаемого явления исследована полная форма поля, запитывающего ОР. Обнаруже- но существенное отличие её от формы собственного поля ОР, чем объясняется низкий КЭЗ и наличие мощного нерезонансного излучения из ОР.
В геометрооптическом приближении построена теоретическая модель образования излучения из ОР ГДИ. Экспериментальные исследования подтвердили, что выбранная модель с высокой степенью достоверности описывает процесс образования несобственного излучения.
На основании проведенных исследований получены рекомендации по усовершенствованию ГДИ. Предложено использовать полезным образом мощное нерезонансное излучение из ОР, которое в известных конструкциях ГДИ терялось. Мощность и КЦЦ ГДИ должны увеличиться в 2-3 раза.
В третьей главе исследуются фазовые характеристики процесса образования обратной связи в ГДИ.Вначале анализируются выходные характеристики ГДИ по диапазону перестроек. С позиций общепринятой трактовки работы ГДИ исследуются возможные причины провалов на графиках выходных характеристик ГДИ. Доказывается, что при перестройках ГДИ добротность ОР, свойства дифракционной решетки, резонансный коэффициент передачи ОР,резонанс по медленной волне и т.п. не могут быть ответственными за провалы на указанных выше графиках. С помощью предложенной модели ГДИ проводится цикл исследований, которые позволяют сделать заключение,что при запитке ОР распределенными по полосе источниками наблюдается полная функциональная зависимость сдвига фазы между запитываю-щим и собственным полями ОР. Возникает возможность объяснить "странности"зависимостей выходной мощности ГДИ по диапазонам перестройки и отыскать способы устранения отмеченных недостатков.
Для решения задачи устранения изрезанности графиков выход- ных параметров ГДИ по диапазону перестройки с помощью "холодной" модели проведены детальные исследования процесса превращения поля дифракционного излучения в собственное поле ОР. Показано, что сдвиг фаз запитывающего и собственного полей ОР "холодной" модели ГДИ равнозначен произвольности фазы обратной связи в "горячем" ГДИ и это существенным образом определяет выходную мощность ГДИ. Предложен механизм фазовой подстройки обратной связи в ГДИ. Экспериментально на "холодной" модели (ХМ) проверена работа этого механизма и доказано, что предложенное устройство может полностью решить задачу коррекции фазы обратной связи в действующем гда.
Б четвертой главе на основе рекомендаций, полученных в предыдущих главах, конструируется макет модифицированного ГДИ. В качестве ОР используется та же электродинамическая система, что и в ХМ ГДИ. В корпусе макета сделаны радиопрозрачные окна, а для реализации идеи фазовой подстройки обратной связи - гладкие отражающие поверхности цилиндрического зеркала ОР ГДИ, так называемые "щечки",сделаны подвижными относительно дифракционной решетки.
Эксперименты с "горячим" макетом модифицированного ГДИ показали, что мощность несобственного излучения, выводимая через радиопрозрачные окна в корпусе, оказалась в 2-3 раза больше, чем мощность генерации, выводимая через щель связи из объема ОР ГДИ, т.е. имеем полное соответствие с выводами, полученными при исследованиях на "холодной" модели ГДИ.
Впервые в исследованиях ГДИ экспериментально определено положение частотной полосы генерации при электронной перестройке е серийного ГДИ на резонансной кривой ОР. Найдены различные варианты расположения полосы генерации на резонансной кривой ОР ГДИ. Прослежены гистерезисные явления возникновения генерации при раз- - II - личном способе подхода к началу генерации по напряжению.
На модифицированном макете ГДИ с механизмом подстройки фазы обратной связи отсняты выходные характеристики по диапазону перестройки. Результаты исследований показали, что рекомендации полученные в главе 3 при работе с ХМ ГДИ, оказались действенными и их реализация в "горячем" ГДИ оказалась очень полезной. Механизм фазовой подстройки в "горячем" макете позволил практически полностью убрать провалы на графиках выходных характеристик ГДИ.
В диссертационной работе защищается: I.Целесообразность построения "холодной" модели ГДИ с источником, распределенным по полосе, и адекватность модели оригиналу по моделируемым свойствам.
2.Результаты экспериментальных исследований по оценке коэффициента эффективности запитки ОР ГДИ полем дифракционного излучения системы "электронный пучок - дифракционная решетка". 3.Результаты экспериментальных исследований несобственного излучения из ОР ХМ ГДИ и геометрооптическая модель образования такого излучения.
4.Способ дополнительного увеличения выходной мощности серийных ГДИ путем утилизации энергии несобственного излучения из ОР и рекомендации по новой конструкции ГДИ с радиопрозрачными окнами в корпусе.
5.Результаты экспериментальных исследований и теоретических рассмотрений фазовых характеристик процесса трансформации поля дифракционного излучения в собственное поле ОР ГДИ. б.Выводы о сложном функциональном характере зависимости значений фазы обратной связи при перестройках в ГДИ.
7.Способ коррекции фазы обратной связи в ГДИ и результаты экспериментальных исследований функциональной пригодности устройств коррекции фазы обратной связи.
8.Рекомендации по конструированию ГДИ с устройством коррекции фазы обратной связи.
9.Результаты экспериментальных исследований местоположения полосы генерации ГДИ на резонансной кривой ОР ГДИ при электронном качании частоты.
10.Результаты экспериментальных исследований на "горячем" макете модифицированного ГДИ, изготовленного согласно рекомендациям пунктов 4, 8.
Диссертация содержит 188 страниц текста, 54 страницы таблиц и рисунков, список литературы из 71 наименования на 8 страницах.
Основные результаты работы неоднократно докладывались на научных семинарах отделов ИРЭ АН УССР и ИПМаш АН УССР, обсуждались на Всесоюзном симпозиуме по приборам, технике и распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере, на П и Ш Всесоюзных симпозиумах по миллиметровым и субмиллиметровым волнам, на X Всесоюзной научной конференции по электронике сверхвысоких частот и частично вошли в монографию [22J. По материалам работы имеются авторские свидетельства на изобретения.
Диссертационная работа выполнялась в I97I-I976 годах в отделе №11 ИРЭ АН УССР и в 1976-1983 годах в лаборатории физико-механических процессов разрушения ИПМаш АН УССР. Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ институтов, утвержденными Президиумом АН УССР. Её результаты являются составной частью результатов НИР, выполняемых по комплексной программе "Фундаментальные исследования в области миллиметровых и субмиллиметровых волн и использование полученных результатов в народном хозяйстве",утвержденной Президиумом АН УССР. (Постановление Президиума АН УССР №304 от II июля 1979г.). - із -
Моделирование при исследованиях физики работы ГДИ
При дальнейшем продвижении в коротковолновую часть миллиметрового диапазона такая конструкция элемента связи становится нетехнологичной и трудновыполнимой. Поэтому в качестве элемента связи предложили [33] использовать полупрозрачную дифракционную решетку из ленточек или брусьев, расположенную на сферическом зеркале. Это позволило вводить энергию дифракционного излучения в квазиоптические тракты непосредственно из ГДИ, минуя дополнительные формирующие устройства.
Целенаправленный выбор электродинамических структур ГДИ, способных создавать условия для эффективного преобразования собственного поля электронного пучка в объемные волны дифракционного излучения с последующим осуществлением эффективной обратной связи, позволил непрерывно улучшать выходные параметры ГДИ. К настоящему моменту создано несколько поколений ГДИ, отличающихся друг от друга в основном своими резонансными электродинамическими структурами. Если ГДИ первого поколения имели в качестве электродинамической резонансной структуры полусферический ОР, то сейчас известны ГДИ со сферическими, спаренными цилиндрическими [34] , сфероидальными [35],тороидальными [35], бочкообразными [3 7] и прочими ОР. Возможность использования такого разнообразия ОР в ГДИ обусловила тот факт, что мощность генерации в миллиметровом диапазоне увеличилась в 10-15 раз, пусковые и рабочие токи уменьшились в 24-10 раз, уменьшился вес системы "ГДИ - магнит" в 104-20 раз, то есть ГДИ практически по всем параметрам перекрыл приборы миллиметрового диапазона классической электроники. Выбор ОР для ГДИ осуществлялся путем сравнения амплитудного распределения собственных полей ОР с целью нахождения распределения оптимальной формы. Дело в том, что наряду с высокой добротностью амплитудное распределение резонансного поля на решетке должно быть таким, чтобы центральное пятно поля лежало практически на большей части решетки, а остальные пятна на части зеркала, свободном от решетки. Такой критерий при выборе ОР для ГДИ увеличивал вероятность обеспечения хорошей обратной связи. Следовательно, всякая очередная новая конструкция ГДИ в своей основе прежде всего базировалась на соображениях очередного улучшения эффективности обратной связи, а затем уже решались все остальные вопросы.
При изучении физики сложных процессов, явлений, которые одновременно определяются многими взаимозависимыми параметрами, имеет смысл разбить картины этих процессов или явлений на ряд элементарных картин, так, чтобы логические следствия этих картин были согласованы с естественными следствиями свойств изображаемой физической картины. В то же время элементарные картины должны быть достаточно простыми, чтобы описываемые ими свойства можно было охватить предпосылками и подвергнуть логической и математической обработке. Наиболее удобно проверить изучение элементарных процессов или явлений на различных моделях, которые позволяют исследовать данную элементарную картину без влияния на неё всех остальных элементарных картин, описывающих сложный физический процесс или явление.
Моделирование, как средство изучения и совершенствования (если в этом есть необходимость) всякого физически сложного процесса или явления, занимает главенствующее положение в современной физике. Понятие модели предмета или явления с необходимостью претерпевало изменения в процессе развития науки и теперь понятие "моделирование" отождествляется с понятием "исследование". Однако же наиболее точным определением модели предмета или явления считается следующее: моделью является всякий другой предмет или явление, которые отражают хотя бы некоторые свойства оригинала или подчиняются хотя бы некоторым из законов, которым подчинен оригинал. При таком понятии модели с очевидностью следует возможность наличия большого числа моделей у всякого объекта или явления, поскольку моделировать можно каждое свойство оригинала в отдельности, затем в комбинациях по два, по три и т.д.
Обычно при употреблении слова "моделирование" рядом с ним имеются ещё слова: "масштабное","математическое","электрическое", "холодное" и т.д.
Генератор дифракционного излучения в своей эволюции подвергался различным видам моделирования. Первым, и давшим наиболее однозначные положительные рекомендации, было применено математическое моделирование.
О форме поля дифракционного излучения, запитывающего ОР ГДИ
Малые величины коэффициента эффективности запитки ОР диф ракционным излучением и наличие мощного нерезонансного излучения из ОР несомненно являются следствиями одних и тех де причин. Поэтому следующим шагом в построении физической картины работы ГДИ естественным будет выяснить эти причины. Наиболее вероятным объяснением отмеченных выше фактов следует считать несовпадение формы собственного поля ОР и формы поля дифракционного излучения, запитывающего ОР. В то время как собственные поля различных ОР ГДИ изучены достаточно подробно [533Sb] вопрос о форме поля дифракционного излучения, запитывающего ОР, до настоящего времени оставался открытым. Исследованию этого вопроса и посвящается данный параграф.
Для проведения необходимых исследований произведем дальнейшую трансформацию ХМ ГДИ, для чего уберем пассивное зеркало и будем измерять ДН излучения диэлектрического волновода, расположенного над активным зеркалом с решеткой.
Диаграммы направленности подобных систем в Е-плоскости (плоскости перпендикулярной образующим решетки) подробно изучались в [ іЛ]. При достаточной длине решетки ( 7Л ) и условии вертикального излучения ДН в Е-плоскости были однолепест-ковыми с шириной лепестка на уровне половинной мощности 7.
Диаграммы направленности в Н-плоскости ранее не исследовались, хотя этот вопрос представляется интересным в силу того, что знание диаграмм направленности излучения в Е- и Н-плоскости системы "ДВ - решетка" позволит определить форму поля дифракционного излучения, которым возбуждается ОР ГДИ [55] .
Снятие ДН проводилось методом неподвижной антенны на установке, блок-схема которой приведена на рис.2.1. Сигнал с рупора после детектирования подавался на быстродействующий самопишущий прибор Н-327/І и одновременно на цифровой вольтметр В7-20, который позволяет получить на выходе импульсы, количество которых пропорционально подаваемому на выход напряжению. Так как скорость вращения нашей установки постоянна и вольтметр имеет строго постоянное время измерения, то, просуммировав количество импульсов за время прохождения лепестка ДН, мы можем получить величину пропорциональную мощности, излучаемой в лепестке. Просуммировав количество импульсов, приходящихся на каждый лепесток ДН, можно определить относительное распределение мощности между лепестками ДН. Суммирование импульсов осуществлялось с помощью программного реверсивного счетчика Ф5007. Отсчет угла поворота системы "ДВ - решетка" относительно рупорной антенны осуществлялся с помощью устройства, описанного в параграфе 2.1.
При проведении эксперимента пришлось решить вопрос о точности установки отражательных решеток относительно ДВ. Конструктивно этот вопрос был решен следующим образом: ДВ жестко крепился в пространстве с помощью шаблонов из пенополистирола, которые имели степени свободы, позволяющие выставлять ДВ строго вертикально. Относительно ДВ выставлялась специальная крепежная обойма, в которую вставлялась исследуемая решетка таким образом, что ДВ располагался в плоскости симметрии решетки перпендикулярно её образующим и параллельно поверхности решетки. Так как система "ДВ - решетка" в Н-плоскости обладает явно выраженной симметрией, то точность расположения решетки относительно ДВ проверялась по симметрии боковых лепестков диаграмм направленности решетки в этой плоскости.
В процессе исследования ДН излучения системы "ДВ - решетка" была дополнительно экспериментально определена зависимость угла максимума излучения от длины волны в пределах, определяе - 60 \ (ераЮ
Зависимость угла максимума излучения системы "ДВ - решетка" от частотным диапазоном ГСС типа Г4-І04, то есть от Л =3,8 до Л =5,2 мм (рис.2.б). Так как решетки рассчитывались на то, что максимум излучения был направлен по нормали к решетке ( (р0 =0) при длине волны Л =4 мм, то изменение длины волны приводило к изменению угла максимального излучения относительно плоскости решетки. Поэтому, для того, чтобы при изменении Л приемный рупор находился в главной плоскости диаграммы направленности, возникла необходимость в изменении положения ДВ и решетки относительно вертикали. Это достигалось посредством перемещения жестких пенополистироловых шаблонов, на которых был натянут ДВ, и поворотом крепежной обоймы на требуемый угол. Приемный рупор мог располагаться в любой зоне приема как в ближней, так и в дальней. Расстояния от рупора до плоскости решетки большие 10 мм отсчитывались с помошыо линейки, а расстояния меньше 10 мм определялись с помощью микрометрической головки.
О фазовых характеристиках процесса трансформации поля дифракционного излучения в собственное поле OP ГДИ
Результаты исследований, предпринятых в настоящей главе, можно считать достаточными аргументами в пользу целесообразности и реальности полезного использования энергии несобственного излучения из ОР ГДИ. В ныне существующих конструкциях ГДИ упомянутая энергия диссипируется в объеме, ограниченном корпусом генератора; при этом выходные параметры генератора случайным образом могли зависеть от того, как при переотражениях от стенок корпуса электромагнитная энергия могла быть возвращена в ОР - ещё и поэтому возможность вывода энергии несобственного излучения требовала своей реализации. Вообще говоря, на возможность получения значительной дополнительной мощности указывал тот факт, что из небольших окон, сделанных в корпусе некоторых непрерывно откачиваемых макетов ГДИ, наблюдалось значительное излучение. Здесь нужно учитывать то обстоятельство, что упомянутые выше окна были сделаны для наблюдения за электронным пучком, то есть с точки зрения оптимальности использования излучения из ОР ГДИ - случайным образом.
Нахождению оптимального способа вывода энергии излучения из ОР и посвящен данный параграф.
Рассмотрим один из возможных путей утилизации энергии несобственного излучения из ОР ГДИ - вывод энергии через окна в корпусе ГДИ. При этом необходимо учитывать несколько ограничивающих факторов.
1. Если задаваться условием того, что потребителю энергия должна выдаваться по металлическому волноводу, то лучшим из известных приемников излучения из окон корпуса необходимо считать рупорную антенну - ниже будут приведены аргументы в пользу такого выбора.
2. Окна в корпусе ГДИ, очевидно, должны располагаться перпендикулярно направлениям максимального излучения - об этом нужно помнить при сканировании рупором вблизи ОР ХМ ГДИ в поисках оптимальных местоположений окон.
3. При сканировании рупором вблизи ОР необходимо также, ориентируясь на имеющиеся в наличии технологии изготовления корпусов ГДИ, учитывать конечную толщину стенок корпуса.
Приведенные соображения привели к тому, что для определения оптимальных местоположений окон в корпусе ГДИ был восстановлен вариант ХМ ГДИ, описанный в параграфе 2.1. То есть ОР был помещен в стандартный корпус отпаянного прибора, причем на цилиндрической поверхности корпуса имелись большие отверстия для беспрепятственного излучения электромагнитной энергии из ОР, а в торцевых частях корпуса были сделаны небольшие отверстия для введения диэлектрического волновода.
При экспериментах приемный рупор был укреплен на поворотной штанге, ось вращения которой совпадала с осью цилиндрической части корпуса. Энергия из рупора (или выведенная через волноводную щель связи в пассивном зеркале) поступала в согласованную нагрузку (аттенюатор), перед которой имелся направленный ответвитель, оканчивающийся детекторной секцией.
Здесь нет резона приводить график мощности, принимаемой рупором, в зависимости от угла между осью ОР и поворотной штангой, поскольку ось рупора в случаях максимума приема не была параллельна штанге. Скажем лишь, что центр апертуры рупора при максимуме приема находился близко к направлению максимума ДН излучения из ОР, измеренной во втором параграфе данной главы. Измерения проводились для всего возможного у ГДИ интервала расстояний между зеркалами (18-гЗО мм); при этом оказалось, что в точках максимального приема ось рупора могла быть повернута на угол до 25 относительно поворотной штанги. При различных типах колебаний в ОР и различных расстояниях между зеркалами этот угол может быть различным. Именно поэтому жестко закрепленная система приема энергии несобственного излучения неоптимальна. В этом смысле рупор является наиболее подходящим приемником энергии несобственного излучения. Что же касается информации об оптимальном расположении окон для вывода энергии несобственного излучения из ОР, то она будет дана в четвертой главе настоящей работы, где при описании экспериментов с "горячим" макетом ГДИ с окнами в корпусе будет показан чертеж корпуса.
Сейчас же приведем основной результат проведенного эксперимента: в точках максимального приема поступаемая в рупор мощность может в 1,5-1,7 раза превышать мощность, канализируемую через щель связи в пассивном зеркале. Другим результатом измерений можно назвать рекомендации того, что для "горячих" экспериментов необходимо изготавливать корпус с четырьмя окнами, причем одна пара; окон предназначена для вывода энергии излучения электронного пучка, беспрепятственно покидающей ОР; а другая пара - для вывода энергии, отразившейся от пассивного зеркала. То есть положение окон в корпусе приблизительно можно установить, воспользовавшись геометрооптическои моделью излучения из ОР, описанной в третьем параграфе настоящей главы.
Некоторые особенности выходных характеристик ГДИ
Это уменьшение энергии поля при прежней мощности источника конечно же ухудшает эффективность обратной связи, что приводит к существенному сокращению как мощности, отдаваемой электронным потоком, так и выходной мощности ГДИ вплоть до прекращения генерации.
Во-вторых, постоянная во времени скорость изменения фазы поля означает в то же время добавку (положительную или отрицательную) к частоте генерации. Но эта добавка к частоте может увести точку генерации с резонансной кривой 0Р, то есть генерация становится невозможной. Именно это и происходит на наш взгляд тогда, когда наблюдаются провалы мощности и срывы генерации при всех видах перестроек частоты в реальном генераторе дифракционного излучения-[60.
Оценим, какие величины сС и р возможны на практике. Из (3.3) следует, что сдвиг по фазе между собственным полем 0Р и полем очередной добавки энергии равен % Из экспериментов, проведенных в предыдущем параграфе, следует, что такие сдвиги в 90 не редкость для 0Р ГДИ, следовательно, cf4180, а отсюда, например, следует, что даже при tgtp = 2; то есть в этом случае d таково, что добавка к частоте больше чем ширина резонансной кривой ОР.
Таким образом, результаты предпринятых исследований с большой вероятностью объясняют все те провалы, которые имеют место на графиках выходной мощности при электронной, механической и комбинированной перестройках ГДИ, равно как и выбросы пускового тока. Но прекращать исследования на этом этапе нельзя, так как найденные эффекты при запитке ОР получены в "холодном" вариан те, то есть при запитке ОР с помощью диэлектрического волновода. Необходимы положительные результаты в этом направлении, полученные на реальном ГДИ; только тогда вероятностный характер интерпретации наблюдаемой физики работы ГДИ обретет силу законности.
Поэтому следующим шагом в раскрытии картины физики работы ГДИ должно стать установление причин, отвечающих за непрогнозируемый сдвиг фаз у запитывающего и собственного полей ОР.
Если вспомнить те резонансные системы, которые используются в генераторах классической электроники - клистроне, ЛОВ, то обращает на себя внимание то обстоятельство, что объемы, занимаемые резонансными полями, сравнимы с JL3 ( в гди»Л3) и в механизме обратной связи нет той промежуточной инстанции, которой в ГДИ являются объемные волны в ОР. Вот почему процесс превращения поля, излучаемого электронным потоком, в собственное поле ОР следует считать тем механизмом, который обеспечивает сдвиг фаз между запитывающим и собственным полями в ОР.
Экспериментально проследить за процессом вариации фазы запитывающего поля на этапе превращения его в собственное поле ОР ХМ ГДИ не представляется возможным; максимально, что можно увидеть с помощью приборов - это вариации разности фаз запитывающего и собственного полей ОР. Поэтому приходится начинать с конца - придумать модель процесса, а затем и устройство, управляющее названной выше разностью фаз и проверить его работу в "холодном" варианте с тем, чтобы определить степень его пригодности для реального ГДИ.
Цдея такого устройства базируется на следующих соображениях. Электромагнитная энергия, оторвавшись от электронного пучка, по своей форме далека от формы собственного поля ОР.
Совершенно очевидно, что с минимальными потерями от зеркал ОР отражается энергия в форме собственного поля. Поэтому первые несколько переотражений от зеркал вновь поступившей в ОР энергии произойдут с большими потерями - этим и объясняется тот факті что эффективность запитки ОР ГДИ существенно меньше 100%. С каждым переотражением между зеркалами ОР вновь поступившее поле по форме все более будет приближаться к собственному ПОЛЮ ОР. Однако можно с уверенностью утверждать, что траектория лучей поля, находящегося на этапе превращения в собственное поле ОР, не совпадает с траекториями лучей последнего. В зависимости от типа колебаний в ОР за те J\l переотражений, пока исходное поле трансформируется в собственное, длина траекторий лучей исходного поля может произвольным образом отличаться от длины траекторий лучей собственного поля ОР за те же переотражений. Это отличие длин траекторий и обеспечивает сдвиг фаз запитывающего и собственного полей.
Мы отдаем здесь себе отчет в том, что подобное описание процесса трансформации исходного поля в собственное поле ОР не выдерживает серьёзной критики - но, насколько это известно, пока ещё нет удовлетворительной модели подобного рода переходных процессов в ОР, используемых в ГДИ. Вместе с тем такое описание дает рецепт для построения механизма, управляющего разностью фаз запитывающего и собственного полей: необходимо малое изменение геометрии ОР, такое, при котором, с одной стороны, сохранится тип собственного колебания и практически сохранится его добротность и, в то же время, изменится длина траектории лучей запитывающего поля на этапе превращения его в собственное поле ОР.
