Збудження електромагнітних коливань довільного спектрального складу замкненими електронними потоками в системах зі схрещеними полями - Автореферат

Можливості напівпровідникових приладів тут обмежені, а з робіт провідних фахівців з вакуумної електроніки (В.Б.Байбурін, Б.Є.Желєзовський, Є.М.Ільїн, О.О.Кураєв, О.О.Терентьєв, О.Г.Шеїн, D.Chernin, H.P.Freund, D.M.Goebel, B.Levush та ін.) випливає, що, незважаючи на успіхи, досягнуті в підвищенні потужності, покращенні якості спектру і зменшенні нелінійних спотворень вакуумних НВЧ-приладів, розвиток їх для потреб звязку, мовлення і радіолокації стримується: - нелінійністю подовжньої взаємодії електронних потоків зі сповільненими електромагнітними хвилями, що призводить до неприпустимо високого рівня спотворень при посиленні складних (багатоканальних цифрових) сигналів лінійними підсилювачами О-типу; Одна з труднощів подолання цих обмежень полягає у невідповідності існуючої теорії взаємодії електромагнітних полів з електронними потоками (яка була розроблена в середині минулого століття для вивчення посилення і генерації вузькосмугових аналогових сигналів) завданням сьогоднішнього дня, наприклад, аналізу проходження через підсилювальні каскади цифрових сигналів зі складним широкосмуговим спектром. Метою дисертаційної роботи є розвиток теорії нелінійної взаємодії негармонійних електромагнітних полів з просторово розподіленими електронними потоками для зясування фізичних явищ, що призводять до підвищеного рівня шумів і побічних коливань в приладах зі схрещеними статичними електричним і магнітним полями. теоретичне вивчення динамічних явищ, що відбуваються в замкненій хмарі обємного заряду в схрещених полях за відсутності високочастотного електромагнітного поля ЕС (статичний режим приладів М-типу), з метою зясування фізики передгенераційних станів електронного потоку, виявлення причин, що спричиняють підвищений рівень шумів і побічних коливань в такому режимі; аналіз коливальних процесів при взаємодії замкненого електронного потоку з електромагнітним полем стоячих та біжучих сповільнених хвиль ЕС в схрещених полях (динамічний режим приладів М-типу), що дозволяє зясувати механізм впливу нелінійної взаємодії і конкуренції видів коливань ЕС, хвиль і турбулентностей обємного заряду на форму спектру вихідного сигналу приладів, зокрема під час перехідних процесів;Показано, що спектральний підхід до моделювання таких явищ є закономірним черговим етапом багаторічної еволюції методів теоретичного вивчення потоків часток у вакуумі і напівпровіднику на мікрорівні. Розглянуто способи практичної побудови таких моделей, виділено декілька їх рівнів, що розрізняються, в основному, методикою розрахунку електромагнітних полів. Воно не враховує зміни структури поля комірок ЕС з частотою, непридатне для аналізу полів, що мають соленоїдальну складову в просторі взаємодії (наприклад, 0-виду) і т.п. Таким чином, спектральна модель НВЧ-приладу - це нестаціонарна модель, що коректно враховує взаємодію між всіма часовими гармоніками електромагнітного поля електродинамічної системи і електронним потоком в континуумі частот, обєднана з алгоритмами спектрального синтезу вхідних сигналів і спектрального аналізу вихідних параметрів. Для різних застосувань спектрального моделювання частотні діапазони, в яких повинні враховуватися процеси взаємодії часток з полем, можуть розрізнятися на порядок і більше.В дисертаційній роботі запропоновано та розвинуто вирішення проблеми адекватного теоретичного аналізу нестаціонарних негармонійних коливань з довільним спектром, що виникають при взаємодії сповільнених електромагнітних хвиль з просторово розподіленими замкненими електронними потоками в схрещених полях. Проведені з його допомогою дослідження дозволили уточнити відомі і сформувати нові фізичні концепції механізмів нелінійної взаємодії потоків заряджених часток з негармонійними електромагнітними полями в приладах М-типу. Фундаментальний характер досліджень підтверджується виявленням невідомих раніше явищ і закономірностей взаємодії в схрещених полях, що дозволяє поліпшити параметри, розширити можливості та області застосування цих приладів. Відкрито і вивчено фізичні процеси (зокрема, нестійкості і групування електронного потоку), які не могли бути виявлені в реальних експериментах, але які створюють підвищений рівень шумів і побічних коливань в статичному і динамічному режимах приладів М-типу. Розуміння природи побічних коливань в схрещених полях дає можливість вжити заходи по зменшенню їх негативного впливу на якість сигналу приладів М-типу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В дисертаційній роботі запропоновано та розвинуто вирішення проблеми адекватного теоретичного аналізу нестаціонарних негармонійних коливань з довільним спектром, що виникають при взаємодії сповільнених електромагнітних хвиль з просторово розподіленими замкненими електронними потоками в схрещених полях.

Для цього розроблено спектральний підхід до теоретичного аналізу коливальних процесів в НВЧ-приладах з розподіленою взаємодією. Проведені з його допомогою дослідження дозволили уточнити відомі і сформувати нові фізичні концепції механізмів нелінійної взаємодії потоків заряджених часток з негармонійними електромагнітними полями в приладах М-типу. Фундаментальний характер досліджень підтверджується виявленням невідомих раніше явищ і закономірностей взаємодії в схрещених полях, що дозволяє поліпшити параметри, розширити можливості та області застосування цих приладів. Відкрито і вивчено фізичні процеси (зокрема, нестійкості і групування електронного потоку), які не могли бути виявлені в реальних експериментах, але які створюють підвищений рівень шумів і побічних коливань в статичному і динамічному режимах приладів М-типу.

Прикладне значення досліджень полягає в розробці єдиної методології математичного моделювання негармонійних коливальних процесів, що відбуваються при взаємодії розподілених електронних потоків з електромагнітними полями. Даний підхід може знайти застосування при вивченні широкого класу подібних явищ в різних генераторних та підсилювальних системах з розподіленими параметрами (наприклад, на основі напівпровідникових середовищ). Розуміння природи побічних коливань в схрещених полях дає можливість вжити заходи по зменшенню їх негативного впливу на якість сигналу приладів М-типу.

Головні наукові і практичні результати дисертаційної роботи полягають в наступному: 1. Розроблено загальні принципи і методологію спектрального підходу до моделювання НВЧ-приладів. Дано визначення спектральної моделі. Сформульовано вимоги до нестаціонарних моделей, що лежать в основі спектрального підходу. Спектральні моделі класифіковано з точки зору методики розрахунку електромагнітного поля на декілька рівнів. Це дає можливість при аналізі спектрів коливань конкретних систем правильно вибрати необхідний для кожного випадку математичний апарат.

2. Розроблено методичну і алгоритмічну базу для спектрального аналізу часових послідовностей фізичних величин, що формуються в процесі спектрального моделювання. Встановлено, що серед параметричних методів спектрального і гармонійного оцінювання функцій найбільш придатними для цієї мети є коваріаційні авторегресійні методи і методи Проні. Зясовано причини недостатньо надійної роботи опублікованих в літературі алгоритмів даних методів. Проведено адаптацію цих алгоритмів до особливостей часових вибірок, що утворюються при нестаціонарному моделюванні НВЧ-приладів.

3. Створено математичний апарат для побудови спектральних моделей першого та другого рівня. Виведено нестаціонарні рівняння збудження електромагнітного поля в електродинамічних системах НВЧ-приладів. Запропоновано три способи задавання ГУ на вході і виході ЕС скінченої довжини, що збуджується в режимі біжучої хвилі: імітацію узгодження, близького до ідеального; моделювання реальних вводу та виводу енергії; імітацію узгодженого навантаження.

4. Розроблено загальні принципи побудови спектральних моделей НВЧ-приладів, що ґрунтуються на методі макрочасток. Розподіл зарядів часток по вузлах мережі дискретизації і інтерполяцію полів між вузлами запропоновано здійснювати на чотиривимірній просторово-часовій мережі. Для цього створено спеціальний алгоритм, названий “поліноми зі згладжуванням” (PWS). Запропоновано адаптивний метод комплексних амплітуд, що базується на динамічному виборі базових частот в процесі моделювання, виходячи з поточного спектру збуджуючого струму. Цей метод поєднує переваги спектральних моделей першого рівня (широкосмуговість) з позитивними якостями моделей другого рівня (точність).

5. За допомогою повноформатних моделей часток зясовано умови виникнення власних тангенціальних коливань замкненої хмари обємного заряду в схрещених полях. Вивчено самогрупування потоку за наявності розподіленого вторинно-емісійного катода, підтверджено результати теоретичних робіт, що прогнозували виникнення конвективних і турбулентних нестійкостей електронного потоку в магнетронному діоді. Встановлено відмінність в швидкості розвитку коливальних процесів і спектрах наведеного струму для коливань різної природи. Оцінено ступінь впливу кожного з них на спектр електромагнітного поля в приладах М-типу. Зокрема, найбільш ймовірною причиною автоколивань в магнетронному діоді є не тангенціальні нестійкості замкненого електронного потоку в схрещених полях, як вважалося раніше, а конвективні хмари.

6. Показано, що розвинені раніше автором уявлення про три етапи перехідного процесу при збудженні коливань в магнетронних підсилювальних системах зворотної хвилі з розподіленою емісією (передгенераційний, лінійної і нелінійної взаємодії) можуть бути узагальнені також на магнетронні автогенератори. Виявлено, що між періодом самогрупування втулки (наприклад, за рахунок її власних тангенціальних коливань), з одного боку, і періодом її синхронізації полем робочої нормальної моди ЕС - з іншого, лежить період “підзбудження” власного коливання електронної хмари полем електродинамічної системи. В результаті розширення спектру вихідного сигналу на першому етапі перехідного процесу приблизно на порядок перевищує значення, які витікають з оцінки часу наростання коливань, оскільки в спектрі присутні дві частоти: частота власних коливань втулки і частота збуджуваної нормальної моди ЕС.

7. Внаслідок відмінності потенціалів синхронізму зі сповільненою електромагнітною хвилею для електронів, що рухаються на зовнішній межі втулки, з одного боку, і поблизу анода - з іншого, діапазони напруг, при яких збуджується і існує кожен нормальний вид коливань ЕС, перекриваються лише частково. Це є фізичною причиною відомого на практиці “жорсткого” режиму збудження приладів М-типу, для яких істотним є вплив обємного заряду, тобто електронного гістерезису.

8. Протягом перехідного процесу, що має місце при зміні робочого нормального виду коливань ЕС магнетронного автогенератора, електронний потік в приладі набуває складної конфігурації, створеної одночасною дією на нього електромагнітних полів загасаючої і наростаючої нормальних мод ЕС, амплітуди яких порівняні за величиною. В результаті спектр вихідного сигналу збагачується численними комбінаційними і інтермодуляційними складовими, розташованими в істотно ширшій смузі частот, ніж діапазон між вищезгаданими нормальними модами ЕС.

9. Серед причин підвищеного рівня шумів вихідного сигналу в динамічному режимі приладів М-типу значну роль відіграють турбулентні явища в електронних спицях. Стійкі конвективні хмари на вершинах спиць схильні до флуктуацій форми і розмірів, що змінює в часі випадковим чином густину збуджуючого конвекційного струму. Поблизу нижньої межі області робочих анодних напруг спостерігаються суттєві часові флуктуації форми всієї електронної хмари за рахунок періодичного відриву від втулки і підйому до анода транзитних конвективних хмар. Для зменшення даних явищ слід по можливості вибирати режим роботи приладу, при якому струм катода обмежується його емісійною здатністю.

10. Незважаючи на те, що спектр коливань при самозбудженні підсилювачів зворотної хвилі М-типу із замкненим електронним потоком на карматронному виді є досить вузькосмуговим, при наявності зовнішнього сигналу з потужністю, недостатньою для пригнічення цього виду, на виході приладу зявляється широка “сітка” комбінаційних складових, обумовлених нелінійною взаємодією двох хвиль в ЕС: створеної вхідним сигналом і збуджуваної електронним потоком.

11. Серед причин, що обмежують коефіцієнт посилення дворядних підсилювачів зворотної хвилі із замкненим електронним потоком, істотну роль відіграє переважна дія на електронну хмару ВЧ-поля анодної ЕС, що створює сприятливі умови для збудження різних паразитних видів коливань. З метою пригнічення цих видів і підвищення коефіцієнта посилення вказаних приладів запропоновано використовувати одну або дві торцеві області групування, в яких присутня лише катодна ЕС, а анод виконано гладким. Це дозволяє електронному потоку безперешкодно згрупуватися під дією поля вхідного сигналу. Згруповані згустки дрейфують потім в область взаємодії, де наводять в анодній ЕС складову електромагнітного поля, синхронну за частотою із вхідним сигналом.

1. Грицунов А.В., Козорезов Г.Г., Копоть М.А. О повышении коэффициента усиления двухрядных усилителей со скрещенными полями // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2005. - Вып. 140. - С. 82-85.

2. Грицунов А.В. О колебаниях замкнутого электронного потока в скрещенных полях // Радиоэлектроника и информатика. - 2005. - № 2. - С. 7-15.

3. Васянович А.В., Грицунов А.В., Лебедев О.Г., Чурюмов Г.И. Эволюция спектров сигналов при переходных процессах в генераторах и усилителях М-типа // Радиоэлектроника и информатика. - 2005. - № 1. - С. 22-28.

4. Грицунов А.В. О спектральном подходе к моделированию СВЧ-приборов // Радиотехника и электроника. - 2004. - Т. 49. - С. 882-885.

5. Gritsunov A.V. An Adaptive Method of Complex Amplitudes in Spectral Simulations of the Electron Devices // Telecomm. and Radio Engineering. - 2004. - V. 61. - No. 7. - P. 623-631.

6. Gritsunov A.V. Mechanisms of an Electron Stream Self-Bunching in Magnetron Guns // Вопросы атомной науки и техники. Ядерно-физ. исследования. - 2004. - № 2. - С. 150-152.

7. Чурюмов Г.И., Фролова Т.И., Грицунов А.В., Исаева Е.Б. Анализ частотных характеристик двухкаскадного магнетронного автогенератора // Вісник Сумського державного університету. Сер. Фізика, математика, механіка. - 2004. - № 10. - С. 249-254.

8. Грицунов А.В. Выбор методов спектрального оценивания временных функций при моделировании СВЧ-приборов // Радиотехника. - 2003. - № 9. - С. 25-30.

9. Vasyanovich A.V., Gritsunov A.V., Nikitenko A.N., Horunzhii M.O. General Principles of Spectral Modeling of Microwave Devices // Telecomm. and Radio Engineering. - 2003. -V. 60. - No. 1-2. - P. 88-99.

10. Васянович А.В., Грицунов А.В., Никитенко А.Н. К оценке погрешностей предположений, лежащих в основе спектральных моделей первого уровня // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2003. - Вып. 132. - С. 60-64.

11. Gritsunov A.V., Turenko L.Y. Harmonic Decomposition of an Exciting Current in Simulation of the Electron Devices // Telecomm. and Radio Engineering. - 2002. - V. 58. - No. 11-12. - P. 56-67.

12. Грицунов А.В., Чурюмов Г.И. К моделированию прохождения радиоимпульса через нелинейную структуру медленной волны // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2002. - Вып. 130. - С. 60-67.

13. Герасимов В.П., Грицунов А.В., Писаренко В.М. К моделированию граничных условий в цепочке связанных резонаторов для метода мгновенных значений // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2002. - Вып. 129. - С. 119-126.

14. Грицунов А.В. К интегрированию уравнения возбуждения замедляющей системы для метода мгновенных значений // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2002. - Вып. 127. - С. 89-94.

15. Грицунов А.В. К решению матричного уравнения возбуждения резонаторной замедляющей системы // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2002. - Вып. 125. - С. 101-105.

16. Грицунов А.В. К расчету коэффициентов матричного уравнения возбуждения резонаторной замедляющей системы // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2002. - Вып. 124. - С. 16-23.

17. Грицунов А.В., Копоть М.А., Лебедев О.Г., Фролова Т.И. О реализации метода Прони для слабо зашумленных выборок // Радиоэлектроника и информатика. - 2002. - № 4. - С. 27-32.

18. Gritsunov A.V. On Spectral Modeling of Microwave Devices // Telecomm. and Radio Engineering. - 2001. - Vol. 55. - No. 8. - P. 98-102.

19. Грицунов А.В. К выводу уравнения возбуждения периодической замедляющей системы для метода комплексных амплитуд // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2001. - Вып. 122. - С. 169-178.

20. Грицунов А.В. К выводу уравнения возбуждения цепочки связанных резонаторов для метода мгновенных значений // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2001. - Вып. 121. - С. 156-162.

21. Грицунов А.В. О сглаживании выходных параметров нестационарных моделей // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2001. - Вып. 120. - С. 119-122.

22. Грицунов А.В. Об автоматизации определения коэффициента кратности макрочастиц // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2001. - Вып. 118. - С. 102-104.

23. Васянович А.В., Грицунов А.В., Фролова Т.И., Чурюмов Г.И. Нестационарные процессы в приборах М-типа // Радиоэлектроника и информатика. - 2001. - № 1. - С. 38-41.

24. Churyumov G.I., Gerasimov V.P., Gritsunov A.V., Zakorin V.A. Prospects of Applying a Computational Experiment to the Concept and the Use of Crossed-Field Devices // Telecomm. and Radio Engineering. - 1998. - V. 52. - No. 12. - P. 39-48.

25. Грицунов А.В., Галаган А.В. Об использовании уравнения возбуждения второго порядка при моделировании автогенераторов со скрещенными полями // Радиотехника и электроника. - 1989. - Т. 34. - С. 1719-1722.

26. Галаган А.В., Грицунов А.В., Писаренко В.М. К вопросу решения уравнения возбуждения в моделях “крупных” частиц // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 1989. - Вып. 90. - С. 123-126.

27. Грицунов А.В. Об использовании квазипериодического приближения причисленном моделировании усилителей М-типа // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 1985. - Вып. 73. - С. 119-126.

28. Грицунов А.В. Пакет прикладных программ для моделирования СВЧ-усилителей со скрещенными полями // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 1985. - Вып. 72. - С. 23-31.

29. Деклараційний патент 65216 А України, МПК H01J 25/50. Коаксіальний магнетрон / М.А.Копоть, О.В.Грицунов (Україна). - № 2003065613; Заявлено 18.06.2003; Опубл. 15.03.2004, Бюл. № 3. - 2 с.

30. Деклараційний патент 58753 А України, МПК H01J 25/50. Магнетрон / М.А.Копоть, Г.І.Чурюмов, Г.Г.Козорезов, О.В.Грицунов (Україна). - № 2002107945; Заявлено 07.10.2002; Опубл. 15.08.2003, Бюл. № 8. - 2 с.

31. Деклараційний патент 47632 А України, МПК H01J 25/50. Магнетрон / М.А.Копоть, Г.І.Чурюмов, Г.Г.Козорезов, О.В.Грицунов (Україна). - № 2001053685; Заявлено 31.05.2001; Опубл. 15.07.2002, Бюл. № 7. - 2 с.

32. Грицунов А.В. Возбуждение нестационарных немонохроматических полей в направляющих электродинамических системах. Часть I. Дискретное приближение // Прикладная радиоэлектроника. - 2004. - Т. 3. - № 2. - С. 64-70.

33. Грицунов А.В. Возбуждение нестационарных немонохроматических полей в направляющих электродинамических системах. Часть II. Непрерывное приближение // Прикладная радиоэлектроника. - 2004. - Т. 3. - № 3. - С. 67-72.

34. Васянович А.В., Грицунов О.В., Копоть М.А., Мутовіна Н.В., Фролова Т.І. Моделювання динаміки часток в нестаціонарних моделях приладів зі схрещеними полями // Теоретична електротехніка. - Львів: ЛНУ ім. Івана Франка. - 2002. - Вип. 56. - С. 54-59.

35. Churyumov G.I., Frolova T.I., Gritsunov A.V., Nikitenko O.M., Zinkovsky V.N. The Magnetrons - Electromagnetic Interference (EMI) Sources: Computer Modeling and Experimental Investigations // Proc. Int. Symp. on Electromagnetics Compatibility (EMC EUROPE 2004) - Eindhoven. - 2004. - P. 327-331.

36. Gritsunov A.V. Non-Monochromatic Fields in a Dispersive Electrodynamic Line. I. The Discrete Approximation // Proc. Fifth IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (IVEC 2004) - Monterey, CA. - 2004. - P. 220-221.

37. Gritsunov A.V. Non-Monochromatic Fields in a Dispersive Electrodynamic Line. II. The Continuous Approximation // Proc. Fifth IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (IVEC 2004) - Monterey, CA. - 2004. - P. 222-223.

38. Gritsunov A.V., Nikitenko O.M. Probable Sources of a Noise in Crossed-Field Devices. I. Non-Generating Tubes // Proc. Fourth IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (IVEC 2003) - Seoul. - 2003. - P. 246-247.

39. Gritsunov A.V., Nikitenko O.M. Probable Sources of a Noise in Crossed-Field Devices. II. Generating Tubes // Proc. Fourth IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (IVEC 2003) - Seoul. - 2003. - P. 248-249.

40. Gritsunov A.V. Evaluation of Vortex Fields in a Non-Linear Slow-Wave Structure. I. The Method of Instantaneous Values // Proc. Third IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (IVEC 2002) - Monterey, CA. - 2002. - P. 143-144.

41. Gritsunov A.V. Evaluation of Vortex Fields in a Non-Linear Slow-Wave Structure. II. The Method of Complex Amplitudes // Proc. Third IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (IVEC 2002) - Monterey, CA. - 2002. - P. 145-146.

42. Gritsunov A.V. The Spectral and Harmonic Analysis in Microwave Electronics // Proc. XIV Int. Conf. on Microwaves, Radar and Wireless Communications (MIKON-2002). - Vol. 1. - Gdansk. - 2002. - P. 73-76.

43. Gritsunov A.V. The Spectral Approach to Solving of EMC Problems at Microwave Tubes Simulation // Proc. 16th Int. Wroclaw Symp. and Exhibition on Electromagnetic Compatibility. - Vol. 1. - Wroclaw. - 2002. - P. 139-144.