Особенности работы лампы обратной волны М-типа при наличии многочастотного входного сигнала

Актуальность исследования. Задача исследования процессов взаимодействия электромагнитной волны с нелинейными средами представляет интерес, поскольку процессы в системах электронный поток — электромагнитная волна лежат в основе функционирования практически всех электронно-волновых систем. Особое место среди таких систем занимают электровакуумные приборы (ЭВП) СВЧ со скрещенными полями (приборы М-типа). Значительный уровень мощности излучения, высокая радиационная и тепловая стойкость, длительный срок службы и надежность сделали привлекательным их применение при решении задач радиолокации, связи, радиопротиводействия, промышленного и бытового нагрева, а также в области медицины и биологии [4 — 9,15].

При всей привлекательности эти приборы обладают рядом недостатков, связанных с особенностями процессов взаимодействия потока с электромагнитными волнами. К ним относится сравнительно высокий уровень шума, относительно невысокий коэффициент усиления, что ограничивает области их применения [58]. В определенной степени это связано с тем, что изучению физических процессов в приборах типа О уделяется больше внимания, в связи с чем потенциальные возможности приборов М-типа далеко не все изучены, тем более, что в классе мощных усилителей и генераторов им нет равных. Именно этим обусловлен интерес к выяснению новых условий работы приборов М-типа и определению возможностей их использования.

В настоящее время развитее электроники СВЧ в большей степени связано с усовершенствованием и видоизменением приборов, работа которых основана на хорошо известных принципах, поиском новых путей использования их, а не только с разработкой новых принципов генерации и усиления высокочастотных сигналов. Развивается и совершенствуется методика численного эксперимента. В связи с бурным развитием вычислительной техники появилась возможность усовершенствования математических моделей и повышения точности производимых расчетов для исследования таких «тонких» эффектов, как многочастотные взаимодействия.

В этой связи очень удобной в качестве объекта исследований представляется лампа обратной волны М-типа, в которой направления фазовой и групповой скоростей электромагнитной волны противоположны. Такое условие обеспечивает наличие положительной обратной связи между входом, находящемся вблизи коллекторного конца прибора, и выходом, расположенным в прикатодной области. В зависимости от выбора параметров (длины пространства взаимодействия, величины тока электронного пучка) такой прибор может работать как в режиме усиления, так и в режиме генерации. Наибольшее распространение данные приборы получили как генераторы с электронной перестройкой частоты.

Одним из основных условий возбуждения колебаний заданной частоты, как следует из результатов теории, является равенство скорости электронного потока и фазовой скорости электромагнитной волны в замедляющей системе прибора (условие синхронизма) и необходимость обеспечения тока пучка, превышающего пусковой [1−5]. При заданной фазовой скорости для нескольких сигналов с разными частотами, в принципе, может быть выполнено условие пускового тока, что обусловлено свойствами замедляющей системы, используемой в приборе. Такое взаимодействие сигналов с различными частотами может привести к нестабильной работе, что может выражаться не только наличием на выходе сигналов двух и более частот, но и получением сигнала с нестабильной амплитудой [10, 14, 40, 59], в связи, с чем исследование подобных ситуаций представляет несомненный интерес.

Целью исследований является изучение особенностей работы ЛОВМ в нелинейном режиме регенеративного усиления при наличии сигналов, представляющих собой суперпозицию волн с различными частотами, и определение влияния воздействия внешних сигналов на процесс генерации.

При реализации поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи.

— Создать математическую модель взаимодействия электронного потока и обратных электромагнитных волн сложного спектрального состава в системах М-типа для изучения многочастотного режима взаимодействия при использовании двух методов расчета полей пространственного заряда: сеточного и «частица-частица».

— Изучить пусковые условия генератора ЛОВМ с учетом влияния пространственного заряда.

— Рассмотреть процессы развития и установления процесса в ЛОВ М-типа в режиме регенеративного усиления при подаче на вход нескольких монохроматических сигналов с разными частотами.

— Изучить процессы, влияющие на процессы генерации колебаний при наличии внешнего воздействия.

Научная новизна работы заключается в том, что.

— впервые подробно проведены исследования работы ЛОВМ — усилителя как при усилении одночастотного монохроматического сигнала, так и при усилении нескольких волн с различными частотами;

— показано, что в зависимости от величины входной мощности изменяется полоса усиления, а при наличии входного сигнала, частота которого лежит вне пределов полосы, наряду с его усилением происходит возбуждение дополнительных колебаний с достаточно высоким уровнем выходной мощности;

— установлено, что в ЛОВМ — генераторе при подаче внешнего сигнала реализуются режимы работы, при которых одновременно существуют сигналы разных частот с примерно равными выходными мощностями;

— доказано, что наличие внешних сигналов в ЛОВМ — генераторе приводит к появлению многочастотного режима работы.

Практическая ценность заключается в том, что.

— математическая модель и разработанная программа могут быть использованы для моделирования работы ЛОВ М-типа в многочастотных режимах;

— найдены условия, обеспечивающие получение на выходе сигналов, как стабильных по величине генерируемой или усиливаемой мощности, так и нестабильных, а также сигналов сложного спектра;

— доказана возможность генерации в ЛОВМ двухчастотного сигнала со сравнимыми по величине уровнями мощности.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы использованы в научно — исследовательской работе «Исследование возможности создания многочастотных сверхвысокочастотных усилителей и генераторов М — типа» тема № 54−53/429−04, № гос. регистрации 1 200 500 653) (2004;2009), выполненной на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета по планам фундаментальных и поисковых работ агентства по образованию РФ, и используются в НИР «Исследование процессов усиления и генерации стохастических колебаний в скрещенных поля» (№ 54−53/145−09, № гос. регистрации 2 010 613 062), выполняемой в настоящее время по планам фундаментальных и поисковых работ Министерства образования и науки РФ.

Достоверность результатов исследования определяется корректностью используемых физических законов, подтверждается отсутствие противоречий с фундаментальными представлениями о рассматриваемых процессах путем сравнения зависимости выходной мощности от времени для одно-частотного режима с данными, полученными другими авторами, а также соответствием значений выходной мощности и КПД промышленных приборов со справочными данными (для одночастотного режима).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

— генерация колебаний в ЛОВ М-типа наступает при превышении фазовой скорости электромагнитной волны над скоростью электронного потока;

— полоса усиления монохроматического сигнала в ЛОВМ — усилителе зависит от величины входной мощности монохроматического сигнала;

— усиление монохроматического сигнала, частота которого лежит вне полосы усиления, приводит, наряду с его усилением, к возбуждению дополнительных колебаний и усложнению спектра сигнала на выходе прибора;

— доказана возможность работы ЛОВМ-генератора в двухчастот-ном режиме с практически одинаковыми уровнями выходной мощности.

Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (2007;2010гг.), на научно-теоретических конференциях ВолгГТУ (2008 г.), на XIII межвузовской конференции студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2008 г.), девятой международной научной конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010 г.), 14-й Международный молодежный форум «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И МОЛОДЕЖЬ В XXI веке» (Харьков 2010 г.), на Международной научно-технической конференции (Computer-Based Conference) «СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» (Пенза, 2010 г.).

Основные результаты диссертации изложены в 7 публикациях, из них одна работа в изданиях, включённых в Перечень ВАК, одно свидетельство о государственной регистрации программы.

Публикации:

1 Галац М. В. Спектр лампы обратной волны М-типа / М. В. Галац,.

А.Г. Шеин // XII региональная конференция молодых исследователей Вол7 гогр. обл., г. Волгоград, 13−16 нояб. 2007 г.: тез.докл. / ВолгГТУ [и др.]. -Волгоград, 2008. — С. 263−264.

2 Галац М. В. Работа лампы обратной волны М-типа в многочастотном и предрегенерационном режимах / М. В. Галац, А. Г. Шеин // Х1П региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (11−14 нояб. 2008 г.): тез. докл. Вып. 4, Физика и математика / ГОУ ВПО «Волгогр. гос. ун-т» [и др.]. — Волгоград, 2009. — С. 52−56.

3 Галац М. В. Моделирование работы лампы обратной волны М-типа в многочастотном режиме / М. В. Галац, А. Г. Шеин // Современные информационные технологии = CIT Conference: тр. междунар. науч.-техн. конф. (Computer-Based Conference). Вып. 11 / Пензенская гос. технол. академия [и др.]. — Пенза, 2010. — С. 16−21.

4 Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2 010 613 062 от 11 мая 2010 г. РФ. Моделирование работы лампы обратной волны М-типа в многочастотном режиме / М.В. ГалацГОУ ВПО ВолгГТУ. — 2010.

5 Галац М. В. О работе лампы обратной волны М-типа в режиме конкуренции двух сигналов / М. В. Галац, А. Г. Шеин // Радиоэлектроника и молодёжь в XXI веке: матер. XIV междунар. молодёжного форума (18−20 марта 2010 г.) / Мин-во образования и науки Украины, Харьков, нац. ун-т радиоэлектроники.- Харьков, 2010. Ч. 1. С. 4.

6 Галац М. В. Работа JIOB М-типа при наличии внешних сигналов / М. В. Галац, А. Г. Шеин // Высокие технологии, исследования, промышленность. Т. 1: сб. тр. 9-ой Междунар. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 22−23.04.2010 / Санкт-Петерб. гос. политехи, ун-т [и др.]. — СПб., 2010. — С. 301−303.

7 Шеин А. Г., Галац М. В. Нелинейный анализ многочастотного режима работы ЛОВ М-типа // Электромагнитные волны и электронные системы.-2011.-Т. 16-№ 1- С. 6−9.

Личный вклад автора. Диссертант выполнил аналитическое и численное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным 8 руководителем: получил аналитический вид искомых формул, описывающих процесс взаимодействия незамкнутого электронного потока с обратной электромагнитной волной, реализовал численную модель этого процесса, получил и проанализировал результаты исследования работы ЛОВМ в различных режимах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии. Общий объём диссертации 121 страниц, включающих 48 рисунков, 8 страниц списка использованных источников из 85 наименований.

4.4 Выводы к главе 4.

В результате можно заключить, что:

— процесс самовозбуждения колебаний в лампе обратной волны М-типа и спектр выходного сигнала в существенной степени зависят от наличия внешний воздействий и даже при достаточно слабых по величине колебаниях с частотой, лежащей вблизи частоты генерации, возможно нарушение чистоты спектра и появление дополнительных колебаний с иными частотами;

— степень воздействия внешнего колебания на процесс генерации зависит, прежде всего от разности частот между частотой генерации и его частотой, причем с увеличением этой разности для обеспечения такого же воздействия мощность внешнего сигнала возрастает;

— при подаче внешних сигналов возможна реализация двухчастот-ного режима, когда на выходе прибора имеются два колебания с разными частотами, но с одинаковой величиной мощности;

— наличие на входе нескольких колебаний с различными частотами приводит к увеличению времени установления некоторого стационарного по величине мощности процесса, что может ограничивать использование такого прибора при генерации коротких импульсов.

Заключение

.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1 Самовозбуждение в ЛОВ М-типа наступает при условии превышения фазовой скорости волны над дрейфовой скоростью электронного потока.

2 Полоса частот, в которой возможно усиление монохроматического сигнала при работе прибора в режиме регенеративного усиления, зависит от величины входной мощности и растет при ее увеличении.

3 При подаче на вход волн, частоты которых лежат вне полосы усиления, на выходе усилителя наблюдается многочастотный сигнал, состоящий в дополнение к усиливаемому колебанию из возбуждаемого, частота которого близка к частоте самовозбуждения, и комбинационных частот, причем величины мощностей всех волн достаточно велики.

4 При усилении нескольких сигналов наблюдается низкочастотная модуляция группировки электронного потока с частотой, определяемой соотношением частот усиливаемых и возбуждаемых в системе колебаний.

5 На работу ЛОВ М-типа в режиме самовозбуждения оказывают существенное влияние внешние колебания с частотами, лежащими вблизи частоты генерации, приводящие к затягиванию (изменению) частоты генерации, уменьшению выходной мощности и появлению многочастотного сигнала на выходе прибора.

6 Найдены условия, при которых на выходе генератора можно получить два колебания с примерно одинаковыми уровнями выходной мощности.

ЛОВ М-типа уникальна тем, что она позволяет практически линейно перестраивать частоту генерации или полосу усиления только за счет изменения электрических параметров системы. При изменении электрических параметров системы изменяются условия взаимодействия электромагнитных волн с электронным потоком, и, как показано в работе, возможно возникновение режимов, когда помимо основного сигнала на выходе могут наблюдаться дополнительные возбуждаемые колебания. При использовании в аппаратуре дискретных монохроматических колебаний изменение генерируемой частоты нежелательно, в то время как при использовании многочастотных режимов ЛОВ М-типа предоставляет возможность реализовать такую возможность.

Проведенные исследования частично объясняют механизмы возникновения побочных колебаний на выходе в генераторе ЛОВМ за счет случайного или сознательного появления дополнительных колебаний в приборе. Выявленные особенности процесса усиления сигналов сложного спектрального состава следует учитывать разработчикам радиосистем при использовании данного класса усилителей с целью улучшения его выходных характеристик и подавления негативных явлений в выходном сигнале прибора.