Спектр колебаний магнетрона вблизи несущей

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 [1, 8, 11, 53].

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 (условие синхронизма), распространяющейся в замедляющей системе прибора. 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 [36].

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 сигнала 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-типао 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 задачи: изучены характеристики гребенчато — штыревых замедляющих систем, используемых в приборах М-типапостроена модель параметрического взаимодействия электронного потока, модулированного по скорости, с полем высокочастотной волны заданной частотыдан анализ характера взаимосвязи волн электронного потока с полями волн на частотах вблизи несущей и изучено влияние параметров потока на уровни колебанийна основе нелинейной теории группировки электронного потока в плоском магнетроне рассмотрена динамика преобразования спектра колебаний, вызванных модуляцией электронного потока по скорости.

Научная новизна работы заключается в следующем: — Показано, что в сложных гребенчато — штыревых замедляющих системах появляются перекрывающиеся полосы прозрачности, вызывающие принципиальную возможность появления дополнительных частотных составляющих в выходном спектре сигнала.

— Разработан метод расчета амплитуд нормальных волн в связанной системе электронный поток — электромагнитная волна.

— 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 процесс формирования электронного сгустка в плоском магнетроне при наличии низкочастотной модуляции электронного потока по скорости и доказано, что появляющиеся эффекты эквивалентны параметрическому взаимодействию сигналов.

Практическая ценность заключается в том, что о разработана общая теория распространения электромагнитных волн в гребенчато-штыревых замедляющих системахо создана численная модель развития сигналов сложного спектрального состава при генерации в магнетроне вблизи несущейо доказано, что в приборах М-типа могут генерироваться побочные колебания с частотами, близкими к частоте основного сигнала, вызванные низкочастотными возмущениями электронного потока, причем их уровни мощности 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 1 940 004 940) и «Математическое моделирование многочастотных взаимодействий в скрещенных полях» (№ гос. регистрации 1 990 010 964), 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: Результаты исследования электродинамических характеристик гребенчато-штыревых замедляющих систем. t* Математическая модель параметрического взаимодействия низкочастотного возмущения электронного потока с высокочастотным полем основной волны и результаты исследований зависимости от электрических параметров пучка и параметров замедляющей системы уровней мощности побочных колебаний вблизи несущей. Динамика преобразования спектра колебаний вблизи несущей при наличии модуляции электронного потока по скорости.

Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (1995 — 2003 гг.), на научно-теоретических конференциях ВолгГТУ (1995 — 2003 гг.), на второй международной конференции «Теория и техника передачи, приёма и обработки информации» Харьков — Туапсе 1996 г., на V региональной конференции молодых исследователей Волгоградской обл. (Волгоград, 2000 г.).

Публикации:

1. Поляков, И. В. Исследование параметрического взаимодействия основного сигнала с колебаниями электронного потока в скрещенных полях/ И. В. Поляков//V региональная конференция молодых исследователей Волгоградской обл., 21−24 ноября 2000 г. тез. докл./ Волгогр. гос. техн. ун-т — Волгоград, 2001. — с. 213.

2. Поляков, И. В. Исследование процесса возбуждения комбинационных составляющих при низкочастотной модуляции электронного потока в скрещенных полях/ И. В. Поляков, А. Г. Шеин// Вопросы физической метрологии. Вестник Поволжск. отд-ния Метролог. Акад. России. — 1999. — № 1, С.113−128.

3. Поляков, И. В. К вопросу о реализации ортогональных мод в замедляющей системе/ И. В. Поляков// Теория и техника передачи приема обработки информации: тез. докл. 2-й Междунар. конф/ ХТУРЭ. — Харьков, 1996. -С. 211.

4. Поляков, И. В. О реализации ортогональных мод в замедляющей системе/ И. В. Поляков, А. Г. Шеин// Вопросы физической метрологии. Вестник Поволжск. отд-ния Метролог. Акад. России. — 1999. — № 1, — С. 82 — 93.

5. Поляков, И. В. Спектр комбинационных составляющих при низкочастотной модуляции электронного потока в скрещенных полях/ И. В. Поляков// Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. -2002.-№ 8.-С. 16−19.

Личный вклад автора. Выполнено аналитическое и численное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: • получены дисперсионные уравнения плоских гребенчато-штыревых замедляющих структурразработана и реализована программа, рассчитывающая дисперсионные характеристики плоских гребенчато-штыревых замедляющих структурпроанализированы зависимости дисперсионных характеристик плоских гребенчато-штыревых замедляющих структур от различных геометрических параметров;

• разработан метод расчета амплитуд нормальных волн в связанной системе электронный поток — электромагнитная волна и реализована численная модель, описывающая параметрическое взаимодействие низкочастотных колебаний электронного потока с высокочастотным сигналом, получены и проанализированы результаты 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.

Выводы к разделу 5.

1. Предложена математическая модель плоского магнетрона, у которого электронный поток промоделирован по скорости. В отличие от известных моделей в качестве основы взята скорость электронного потока.

2. Проанализирован характер группировки электронного сгустка (спицы) и показано, что слабая модуляция приводит к колебаниям вершины сгустка относительно минимума тормозящей фазы поля, а при наличии рассинхро-низма спица дрейфует относительно потока.

3. Анализ спектра сигнала, вызванный модуляцией с заданной частотой, показал, что спектр не остается неизменным в течение времени, а несколько видоизменяется, причем появляются комбинационные составляющие высокого порядка, имеющие сравнимые величины мощности (порядка -50−60 дБ). 4. Качественно спектр, рассчитанный по нелинейной теории, совпадает с рассчитанным на основе теории параметрического взаимодействия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате исследований получены следующие основные научные результаты.

1. При увеличении количества пространств взаимодействия в гребенчатоштыревых замедляющих системах наблюдается перекрытие полос пропускания, что свидетельствует о возможности возбуждения одновременно нескольких видов колебаний с достаточно большими величинами сопротивления связи.

2. Волны, распространяющиеся в системах, являются нормальными. Их существование в различных полосах прозрачности, в принципе, может привести к появлению дополнительных составляющих в спектре генерации магнетрона вблизи несущей за счет нелинейности процесса взаимодействия электронного потока с волной и появления комбинационных составляющих тока.

3. Построенная на основе метода связанных волн математическая модель возбуждения параметрических колебаний вблизи несущей при наличии модуляции электронного потока по скорости позволяет оценивать уровни мощности колебаний и влияние на их величину электрических параметров системы (отличия фазовой скорости волны от скорости электронного потока, величины параметра пространственного заряда и др.).

4. Установлено, что наличие связи между волнами в электронном потоке и волнами в замедляющей системе приводит к появлению волн, нарастающих по амплитуде вдоль пространства взаимодействия, и в результате конкуренции волн возможно возникновение побочных колебаний с амплитудой отЗОдБ и ниже от уровня основного сигнала вблизи основной частоты.

— величина уровней мощности вблизи несущей зависит не только от соотношения между частотами модулирующего и основного сигналов, но и от величины параметра пространственного заряда: при возрастании величины пространственного заряда относительные уровни мощности комбинационных составляющих уменьшаются;

— уровни мощности на выходе зависят, главным образом, не от величин начальных фаз составляющих скоростей, вызывающих модуляцию электронного потока, а от сдвига фаз между ними;

— при малой частоте низкочастотного сигнала С0 в спектре уровни мощности составляющих сигнала на частоте сог = (Oqg>i получаются выше, чем на частоте (Щ = й) о + o? j и достигают величины — (50 — 52) дБ по отношению к уровню основного сигнала.

5. Предложена модель плоского магнетрона, учитывающая наличие модуляции электронного потока по скорости.

6. Доказано, что уровни мощности колебаний вблизи несущей не остаются постоянными в процессе работы прибора: происходит уширение спектра и уменьшение уровней комбинационных составляющих.

7. Линейная теория параметрического взаимодействия дает, в принципе, правильное описание процесса. Однако, уровни мощности составляющих вблизи несущей занижены, что следует учитывать при анализе спектра составляющих вблизи частоты основного сигнала.

Магнетроны ценны как приборы, способные генерировать достаточно высокие уровни мощности. Однако, из — за особых условий взаимодействия электромагнитных волн с электронным потоком возможно возникновение режимов, когда помимо основного сигнала на выходе могут наблюдаться побочные колебания, или, что в большинстве случаев эксплуатации СВЧ приборов крайне нежелательно, возможен резкий перескок частоты генерации.

Попытаться избавиться от подобных эффектов возможно лишь в том случае, когда можно предсказывать данные явления. Это помогает сделать теория, способная адекватно описывать процессы. И, несмотря на то, что предложенная математическая модель имеет ряд ограничений, она позволяет вполне корректно исследовать процессы нелинейного взаимодействия в системах М-типа и может служить инструментом для теоретического изучения подобных систем.