Імпульсні генератори для радіолокаторів дистанційного зондування навколишнього середовища - Автореферат

Магнетрони, зокрема магнетрони з холодним катодом, є одними з найбільш перспективних приладів для використання у радіолокаторах для зондування навколишнього середовища, особливо таких, що працюють у міліметровому діапазоні довжин хвиль. Принципова нестаціонарність фізичних процесів у магнетроні з холодним катодом та специфічний характер процесу виникнення в ньому коливань істотно утруднюють одержання імпульсів випромінювання з малими амплітудними та частотними спотвореннями і призводять до серйозних проблем із забезпеченням безвідмовної роботи імпульсних генераторів на основі таких магнетронів. Теоретичні та експериментальні дослідження, результати яких узагальнені в роботі, провадилися автором у рамках наступних науково-дослідних робіт, що виконувалися у Радіоастрономічному інституті НАН України в 1995-2004 роках: проекти, підтримані Міжнародним науковим фондом (грант №U33000), “Розробка методів і засобів дистанційного зондування атмосфери Землі”, номер держ. реєстрації 0102U000621, “Розробка передавачів для доплерівських локаторів 3-мм діапазону довжин хвиль”, номер держ. реєстрації 0102U002486, госпдоговірні теми: “Розробка метеорологічної РЛС” - замовник фірма METEK, м. Мета цієї роботи полягає у вивченні процесів, що протікають в колах імпульсних генераторів потужного НВЧ випромінювання та генераторів потужних субнаносекундних імпульсів, і розробці методів покращення параметрів таких генераторів стосовно до їх використання у складі радіолокаційних систем для вивчення навколишнього середовища. Для досягнення цієї мети вирішувались наступні задачі: розробка фізичних та математичних моделей елементів, що утворюють схеми імпульсних генераторів, зокрема магнетрона з холодним катодом; створення програмного забезпечення для математичного моделювання імпульсних схем, які містять нестандартні елементи або в яких застосовується робота елементів в нестандартних та незадокументованих режимах; аналіз динамічних процесів в імпульсних генераторах; створення зразків генераторів, в яких використовуються запропоновані рішення; впровадження створених генераторів у радіолокаційні системи для дистанційного зондування навколишнього середовища.Було зроблено висновок про перспективність застосування магнетронів на просторових гармоніках з холодним вторинно-емісійним катодом у передавачах таких систем, особливо тих, що діють у міліметровому діапазоні довжин хвиль. У той же час, складність фізичних процесів у таких магнетронах і підвищені вимоги до якості вихідного імпульсу передавачів практично унеможливлює емпіричний підхід до побудови таких пристроїв і вимагає створення детальної математичної моделі системи магнетрон-модулятор. Генератори таких імпульсів можуть застосовуватися, зокрема, в локаторах для підповерхневого зондування. Магнетрон був представлений як зєднані у паралель ємність, що є конструктивною ємністю між виводами катода та анода, та нелінійний опір з квазістатичною вольтамперною характеристикою, що наведена на рис. 1, де пунктирною лініями відзначені зони, в яких струм через магнетрон зумовлений лише током допоміжного катоду, безперервними - зони збудження струму вторинної емісії, штрихуванням - зона, де спостерігається пробій магнетрону.Для досягнення кінцевого результату, шляхом сумісного використання теоретичних та експериментальних методів дослідження, були розвязані наступні науково-практичні задачі: - Вперше побудовано аналітичну модель імпульсного генератора, заснованого на використанні магнетронів з холодним катодом і високовольтним транзисторним чи ламповим ключем, яка придатна для визначення та оптимізації параметрів перехідних процесів у такому генераторі. Запропоновано феноменологічну модель магнетрона, яка заснована на аналізі його поведінки у схемах модуляторів і дозволяє врахувати при розрахунках такі особливості фізичних процесів у ньому як існування кількох видів коливань, залежність збудження струму вторинної емісії від швидкості та знаку змінення модуляційної напруги, зрив струму вторинної емісії та можливість електричного пробою. Розвинуто техніку моделювання пристроїв, побудованих на основі високовольтних польових транзисторів, яка застосована для оптимізації параметрів електричних кіл генераторів потужних (до 100 КВТ) субнаносекундних імпульсів, що дозволило підвищити максимальну частоту повторення їх вихідних імпульсів до кількох десятків кілогерц.

Основний зміст роботи

У дисертації розвязане наукове завдання по створенню методів математичного моделювання імпульсних генераторів на основі магнетронів з холодним вторинно-емісійним катодом і генераторів потужних субнаносекундних імпульсів, а також використанню отриманих результатів для покращення параметрів передавачів, призначених для експлуатації у складі радіолокаційних систем дистанційного зондування навколишнього середовища з високою розрізняльною здатністю. Для досягнення кінцевого результату, шляхом сумісного використання теоретичних та експериментальних методів дослідження, були розвязані наступні науково-практичні задачі: - Вперше побудовано аналітичну модель імпульсного генератора, заснованого на використанні магнетронів з холодним катодом і високовольтним транзисторним чи ламповим ключем, яка придатна для визначення та оптимізації параметрів перехідних процесів у такому генераторі. Запропоновано феноменологічну модель магнетрона, яка заснована на аналізі його поведінки у схемах модуляторів і дозволяє врахувати при розрахунках такі особливості фізичних процесів у ньому як існування кількох видів коливань, залежність збудження струму вторинної емісії від швидкості та знаку змінення модуляційної напруги, зрив струму вторинної емісії та можливість електричного пробою.

- Розвинуто техніку моделювання пристроїв, побудованих на основі високовольтних польових транзисторів, яка застосована для оптимізації параметрів електричних кіл генераторів потужних (до 100 КВТ) субнаносекундних імпульсів, що дозволило підвищити максимальну частоту повторення їх вихідних імпульсів до кількох десятків кілогерц.

- Доведено ефективність застосування магнетронів з холодним катодом у доплерівських радіолокаторах міліметрового діапазону довжин хвиль. Отримано параметри радіолокаторів, в яких використані такі магнетрони, а саме, рівень еквівалентних широкосмугових фазових шумів (-60 ДБ/Гц) на відстанях до 9 км і розрізнення у частотній області (10 Гц), що наближаються до показників істинно когерентних систем.

- Створено потужні універсальні імпульсні генератори міліметрового діапазону довжин хвиль, що характеризуються високою якістю вихідного імпульсу: час встановлення стаціонарної частоти генерації с точністю 2·10-5 - < 25 нс; змінення фази впродовж плоскої частини імпульсу - < 15?, стабільність частоти від імпульсу к імпульсу - < 3·10-8.

- Створені генератори успішно застосовано у радіолокаційних системах, які використовуються для моніторингу стану навколишнього середовища, вивчення фізики процесів у граничних шарах атмосфери і виявлення забруднення малих водойм продуктами переробки нафти.

- На основі розроблених генераторів створено устаткування для проведення досліджень параметрів магнетронів в умовах довготривалої роботи.

1. Jenett M., Naumenko V., Schunemann K., Vavriv D., and Volkov V. 2 KV generator for subnanosecond pulses // Electronics Letters. - 1997. - Vol.33, №11. - P. 918-919.

2. Волков В.А., Вязьмитинова А.И. Моделирование работы транзисторного ключа, нагруженного на магнетрон с холодным вторично-эмиссионным катодом // Радиофизика и радиоастрономия. - 2000. - Т.5, №1. - С. 67-73.

3. Волков В.А., Вязьмитинова А.И. Оптимизация работы магнетронного передатчика с твердотельным модулятором // Радиофизика и радиоастрономия. -1999. - Т.4, №.4 - С. 361-368.

4. Schunemann K., Trush B., Vavriv D., Volkov V. Millimeter Wave Transmitters on the Basis of Spatial-harmonic Magnetrons with Cold Secondary-emission Cathode for Coherent Radar Systems // Radio Physics and Radio Astronomy. - 1999. - Vol.4, №.4 - С. 357-360.

5. D.M. Vavriv, V.A. Volkov, V.N. Bormotov, V.V. Vynogradov, R.V. Kozhyn, B.V. Trush, A.A. Belikov, and V.Ye. Semenyuta Millimeter-wave radars for environmental studies // Radio Physics and Radio Astronomy. - 2002, Vol. 7, №2. - P. 121- 138.

Результати дисертації додатково висвітлено в таких працях: 1. Naumenko V.D., Schunemann K., Semenuta V.Ye., Vavriv D.M., Volkov V.A. MM-wave transmitters using magnetrons with cold secondary-emission cathode // Proceedings of MSMW’98 . -Kharkov, (Ukraine). - 1998. - P.76 - 81.

2. Jenet M., Kazantsev V., Kurekin A., Schunemann K., Vavriv D., Vinogradov V., Volkov V. Dual 94 and 36 GHZ Radar System for Remote Sensing Applications. // In Proceedings of IGARSS’99 Hamburg, (Germany). - 1999.

3. Naumenko V.D., Schunemann K., Semenuta V.Ye., Vavriv D.M., Volkov V.A. Transmitters based on magnetrons with cold secondary-emission cathode // Proceedings of the 22-nd Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, USA. - 1997. - P. 42-43.

4. Schunemann K., Trush B., Vavriv D., and Volkov V. Millimeter wave transmitters on the basis of spatial-harmonic magnetrons with cold secondary-emission cathode for coherent radar systems // Proceedings of The 30th European Microwave Conf (EUMC), Vol. II - Paris, (France). - 2000. - P. 82-84.

5. Bormotov V., Peters G., Schunemann K., Vavriv D., Vinogradov V., Volkov V. 36 GHZ Doppler radar for remote sensing of the atmosphere // Proc. of Millennium Conf. on Antennas and Propagation. - Davos, (Switzerland). - 2000. - P.319.

6. Belikov, R. Kozhin, K. Schunemann, B. Trush, D. Vavriv, and V. Volkov: 95 GHZ, 2 KW magnetron transmitter of 20 ns pulses // Proceedings of German Radar Symposium. -Bonn, (Germany). -2002. - P. 571-574.

7. Belikov A., Kozhyn R., Trush B., Vavriv D., Volkov V. Magnetron transmitters for high-resolution radars//. -Radio Physics and Radio Astronomy. - 2002. - Vol. 7, №4. - P. 413 -414.

8. Vavriv D., Volkov V., Vinogradov V., Kozhyn R., and Schunemann K. 95 GHZ Doppler polarimetric cloud radar based on a magnetron transmitter // Proceedings of 32nd Microwave European Conference. Vol.1- Milan (Italy). -September 23-27, 2002. - P. 665 -668.

9. Vavriv D.M., Vynogradov V.V., Volkov V.A., Kozhyn R.V., Bezvesilniy O.O., Alekseenkov S.V., Shevchenko A.V., and Vasilevskiy M.P. An Airborne SAR With Indication Of Moving Targets. - Proceedings of Symposium the Fifth International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves. Vol.1- Kharkov, (Ukraine). -2004. - P. 115-119.