Многочастотный режим работы дематрона

Актуальность исследования.

В настоящее время электровакуумные приборы СВЧ, несмотря на относительно большое время с момента их возникновения, находят широкое применение в различных областях науки и техники и удерживают лидирующее положение в таких областях, как радиолокация, радионавигация, в системах промышленного нагрева. Это связано с тем, что малая величина мощности излучения современных полупроводниковых СВЧ приборов, низкая температурная и радиационная устойчивость, определяемая свойствами самих полупроводниковых материалов и р — п переходов, существенным образом сужают область их применения. К достоинствам электровакуумных приборов следует отнести и длительный срок службы, достаточно высокую надежность в работе.

Особое место среди электровакуумных приборов СВЧ занимают приборы М-типа, основанные на взаимодействии электромагнитных волн с электронным потоком, движущимся в статических скрещенных электрическом и магнитном полях. Данному классу приборов свойственны большой уровень выходной мощности, большая величина электронного коэффициента полезного действия (КПД), достаточно высокий коэффициент усиления на единицу длины прибора.

У приборов данного типа наблюдаются некоторые аномальные явления в выходном сигнале, механизм возникновения которых не совсем ясен. К ним следует отнести, прежде всего, высокий уровень шума в выходном сигнале, появление в спектре выходного сигнала колебаний с частотами, отличными от рабочей, а в усилителях — относительно невысокий, по сравнению с приборами О — типа, коэффициент усиления.

Исследования, проводимые с целью определения причин возникновения аномально высокого уровня шума, начаты достаточно давно. Высказано много гипотез, связанных как с наличием неустойчивостей электронных потоков в скрещенных полях [1], так и с существованием диокотронного усиления волн пространственного заряда [2]. В работе [3] высказано предположение, что дополнительные составляющие спектра излучения вблизи несущей частоты возникают за счет параметрической связи сигнала на основной частоте с колебаниями на низких частотах, вызванных наличием неустойчивостей плазмы в скрещенных полях.

В последнее время начато изучение процессов в лучевых приборах М — типа при усилении или генерации сигнала сложного спектрального состава (в ЛБВМ, ЛОВМ) [4, 5], когда существует конкуренция электромагнитных волн при их взаимодействии с электронным потоком. Однако практически нет исследований таких явлений в приборах прямой волны с эмиттирующим отрицательным электродом (дематронах), за исключением нескольких работ Е. М Ильина, В. Б. Байбурина, А. А Терентьева, посвященных усилителям обратной волны — амплитронам [6 — 8].

Целью исследований является изучение процессов, протекающих в усилителе прямой волны М-типа с эмиттирующим отрицательным электродом при взаимодействии разомкнутого электронного потока с электромагнитной волной сложного спектрального состава, представляющей собой суперпозицию монохроматических волн, выявление условий конкуренции при усилении и генерации многочастотного сигнала.

При реализации поставленной цели решены следующие основные задачи.

— Обобщены основные численные модели усилителей М-типа прямой волны с распределенной эмиссией.

— Разработана многочастотная математическая модель дематрона плоской конструкции, в котором начальная часть отрицательного электрода представляет собой термоэлектронный катод, а эмиссия электронов с остальной части электрода осуществляется путем вторичной эмиссии, позволяющая изучать установление процесса усиления сигнала во времени.

— Проведено исследование корректности разработанной математической модели и достоверности получаемых результатов при вариации параметров вычислительных процедур.

— Проведен цикл исследований по изучению влияния геометрических и электродинамических параметров дематрона на его выходные характеристики в случае усиления монохроматического сигнала.

— Рассмотрены процессы развития, возбуждения и конкуренции гармоник сигнала основной частоты.

— Изучены процессы, протекающие при усилении сигналов, представляющих собой суперпозицию волн с близкими частотами, в том числе генерацию колебаний, обусловленных параметрической связью электромагнитных волн.

Научная новизна работы заключается в следующем.

— Установлено, что для сигнала определенной частоты можно подобрать такую величину индукции статического магнитно поля, при котором коэффициент усиления прибора будет максимальным.

— Показано, что при выполнении условия синхронизма дрейфовой скорости электронного потока и фазовой скорости электромагнитной волны с частотой, являющейся гармоникой усиливаемого сигнала, снижается коэффициент усиления и КПД прибора, а уровень мощности генерируемого сигнала может достигать и даже превосходить уровень мощности усиливаемого.

— Установлено, что увеличение ширины спектра сигнала на входе приводит к увеличению ширины спектра колебаний на выходе за счет появления электромагнитных волн в полосе пропускания замедляющей системы, амплитуда которых зависит от конкретного частотного заполнения входного сигнала.

— Показано, что в случае усиления сигнала сложного спектрального состава, представляющего собой суперпозицию монохроматических волн с близкими частотами, появляется параметрическая связь между ними за счет нелинейности сгруппированного электронного потока, наблюдается подавление «центрального» усиливаемого сигнала и рост уровня мощности побочных колебаний.

Практическая ценность заключается в том, что.

— разработанная математическая модель дематрона и ее программная реализация могут быть использованы для изучения процессов, протекающих при многочастотном электронно-волновом взаимодействии в приборе при вариациях его электрических, геометрических и электродинамических параметров;

— доказана невозможность обеспечения линейного режима работы при приемлемом коэффициенте усиления при усилении сигнала, состоящего из совокупности волн с различными частотами;

— установлены причины расширения спектра сигнала на выходе прибора в нелинейном режиме за счет появления сигналов с комбинационными частотами.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы используются в госбюджетной научно-исследовательской работе «Разработка принципов создания многочастотных сверхвысокочастотных усилителей и генераторов М — типа» (тема № 54−53/429−04. № гос. регистрации 1 200 500 653), выполняемой в настоящее время на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета по планам фундаментальных и поисковых работ Федерального агентства по образованию Министерства образования и науки РФ.

Достоверность результатов исследования определяется корректностью используемых физических законов и уравнений, корреляцией некоторых результатов с результатами, получаемыми другими авторами.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту: 1. Математическая модель дематрона плоской конструкции, предназначенная для исследования нестационарных процессов усиления сигнала сложного спектрального состава.

2. Результаты анализа влияния геометрических и электродинамических параметров прибора на его выходные характеристики.

3. Результаты анализа процессов усиления сигналов сложного спектрального состава, представляющих собой суперпозицию монохроматических волн.

Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на научных семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (2005;2008 гг.), на научно-теоретических конференциях ВолгГТУ (2005;2008 гг.), на XI и Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2006 г., 2007 г.), на XIV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2007 г.).

Публикации. По результатам данной работы имеется 6 публикаций:

1. Еськин, Д. Л. Численная модель дематрона [Текст] /Д.Л. Еськин, А. Г. Шеин //Вопросы физической метрологии. Научно-техн. сб. Поволжского отдел. Метролог. Акад. России. — Волгоград, 2006. Вып 8. — С. 81 — 91.

2. Еськин, Д. Л. Нелинейное взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем в дематроне [Текст] //Тезисы докл. XI Регион, конфер. молодых исслед. Волгоградской обл., Электронные устройства и системы. — Волгоград, 2007. — С. 236−237.

3. Еськин, Д. Л. Генерация паразитных колебаний в дематроне [Электронный ресурс] //Материалы докл. XIV Междунар. конфер. студ., аспир. и молодых ученых «Ломоносов». — М.: Изд. центр Факультета журналистики МГУ им. М. В. Ломоносова, 2007. — 1 электрон, опт. диск (CD-ROM) — 12 см.

4. Еськин, Д. Л. Генерация гармоник усиливаемого сигнала в дематроне /Д.Л. Еськин, А. Г. Шеин //Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер. «Электроника, радиотехника, измерительная техника и связь». — Волгоград, 2007. — № 6 (Вып. 1). — С. 61−66.

5. Еськин, Д. Л. Влияние параметрической подкачки на выходные характеристики дематрона [Текст] //Тезисы докл. XII Регион, конфер. молодых исслед. Волгоградской обл., Электронные устройства и системы. — Волгоград, 2008.-С. 261−262.

6. Еськин, Д. Л. Усиление параметрически связанных сигналов в дематро-не [Текст] /Д.Л. Еськин, В. М. Бакулин, А. Г. Шеин //Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер. «Электроника, радиотехника, измерительная техника и связь». — Волгоград, 2008. — № 6 (Вып. 2). — С. 54−60.

Личный вклад автора.

В соответствии с задачами, поставленными научным руководителем, автор принимал непосредственное участие в создании математической модели дематрона, выполнил реализацию разработанной модели на ЭВМ, получил и принимал участие в анализе результатов исследования процессов усиления монохроматического сигнала, а также сигнала сложного спектрального состава в усилителе прямой волны с эмиттирующим отрицательным электродом.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии. Общий объём диссертации 110 страниц, включающих 103 страницы основного текста с 39 рисунками, 7 страниц списка использованных источников из 68 наименований.

Заключение

.

В результате исследований можно сделать следующие выводы.

1. Численная модель усилителя М — типа с эмиттирующим отрицательным электродом — дематрона позволяет исследовать нестационарные процессы, протекающие при взаимодействии электромагнитной волны сложного спектрального состава с электронным потоком.

2. Для корректного описания физических процессов при анализе многочастотного взаимодействия в дематроне следует выбирать следующие параметры вычислительных процедур: временной шаг моделирования системы.

1 о не более 2−10 с, число «крупных» частиц, приходящихся на одну электронную спицу не менее 90 — 100, отношение радиуса учета сил действия пространственного заряда к радиусу Дебая не менее 3, величина коэффициента N, отвечающего за размер ячейки сетки пространственного разбиения системы, N = 50 ч- 70.

3. Для сигнала определенной частоты можно подобрать такую величину индукции статического магнитно поля, при котором коэффициент усиления прибора будет максимальным.

4. Увеличение сопротивления связи позволяет увеличить выходную мощность и достигать режима насыщения при меньших длинах прибора только до определенных значений. В частности увеличение сопротивления связи более 16 Ом не приводит к увеличению выходной мощности при параметрах прибора: анодное напряжение бкВ, индукция статического магнитного поля 0,17Тл, длина пространства взаимодействия 160 мм, ширина пространства взаимодействия 20 мм, высота пространства взаимодействия 2 мм, плотность термотока 1,2А/см, длина термокатода 4 мм, частота сигнала ЗГГц, коэффициент затухания 1дБ/м, с/уф=с/угр=17.

5. В случае, если в основной или высшей полосах пропускания замедляющей системы возможно распространение электромагнитных волн, частоты которых соответствуют гармоникам основного сигнала, в приборе может возникать генерация (появление) этих гармонических составляющих, причем их уровень на выходе прибора может быть значителен и составлять до — 5 дБ от уровня мощности усиливаемой монохроматический волны.

6. В случае усиления сигнала сложного спектрального состава, представляющего собой суперпозицию монохроматических волн с близкими частотами, наблюдаются такие эффекты, как подавление «центрального» усиливаемого сигнала, рост уровня мощности побочных колебаний, достигающих в отдельных случаях -5дБ от уровня выходной мощности усиливаемого сигнала. Чем в больших комбинациях участвует сигнал в качестве «подкачивающего», тем меньший уровень выходной мощности наблюдается на выходе прибора, и чем в больших комбинациях участвует сигнал в качестве «подкачиваемого» — тем больший уровень мощности он имеет.

7. Увеличение ширины спектра сигнала на входе прибора приводит к увеличению ширины спектра побочных колебаний на выходе, амплитуда которых зависит от конкретного частотного заполнения входного сигнала.

8. Сужение спектра при усилении многочастотного сигнала может быть достигнуто за счет использования замедляющих систем с ненулевой дисперсией при некоторой потере широкополосности.

Проведенные исследования частично объясняют механизмы возникновения некоторых аномальных явлений в выходном сигнале. Выявленные особенности процесса усиления сигналов сложного спектрального состава следует учитывать разработчикам радиосистем при проектировке данного класса усилителей с целью улучшения его выходных характеристик и подавления негативных явлений в выходном сигнале прибора.