Многочастотный режим работы лампы бегущей волны М-типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат наук Буланцев, Сергей Сергеевич

• Буланцев, Сергей Сергеевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Буланцев, Сергей Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ОСОБЕННОСТИ ЛУЧЕВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ М-ТИПА

1.1 Принцип работы лучевого усилителя М-типа

1.2 Модельные представления ЛБВМ

1.3 Методы решения уравнения электростатики

Выводы по главе

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЛБВ М-ТИПА С УЧЕТОМ ПРОСТРАНСТВЕННО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

2.1 Постановка задачи

2.2 Траектории движения крупных частиц в потоке

2.3 Расчет полей в замедляющей системе при наличии

электронного потока

2.4 Учет действия сил пространственного заряда

2.5 Расчет распределения электростатического поля

2.6 Численная реализация математической модели

2.7 Анализ достоверности результатов, получаемых с помощью данной модели. 62 Выводы по главе

3 ЭЛЕКТРОННЫЙ ПОТОК В СТАТИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЯХ

3.1 Электронный поток в пространственно-периодическом неоднородном электростатическом поле и однородном магнитном поле

3.2 Влияние плоскости инжекции электронов на траекторию движения и форму потока

3.3 Циклоидальный характер движения потока в пространственно периодическом электростатическом поле

Выводы по главе

4 УСИЛЕНИЕ МОНОХРОМАТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ЛБВ М-ТИПА С УЧЕТОМ ПРОСТРАНСТВЕННО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

4.1 Особенности дисперсионных характеристик замедляющих систем

4.2 Усиление монохроматического сигнала в ЛБВ М-типа

Выводы по главе

5 УСИЛЕНИЕ ПОЛИГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА В ЛБВ М-ТИПА

5.1 Усиление сигнала, представляющего собой суперпозицию двух монохроматических волн с близкими частотами

5.2 Усиление трех конкурирующих сигналов с близкими частотами

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многочастотный режим работы лампы бегущей волны М-типа»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Несмотря на то, что прошло относительно большое время с момента появления СВЧ приборов, изучение физических процессов, протекающих в них, является одной из приоритетных задач физической электроники. Особый интерес среди всех типов СВЧ приборов вызывают приборы М-типа, благодаря хорошим техническим характеристикам (высокий электронный коэффициент полезного действия, достаточно малый вес при генерации или усилении больших уровней мощности), что является причиной их эффективного использования в радиолокации, радионавигации, в устройствах промышленного нагрева, в быту.

Лучевые приборы М-типа, способные объединить все достоинства взаимодействия М-типа с широкополосностью, высоким коэффициентом усиления, низким уровнем шума и паразитных колебаний, свойственным и ЛБВО и ЛОВО, имеют ограниченную область применения. Это связано с тем, что у приборов данного типа наблюдаются некоторые аномальные явления в выходном сигнале, механизм возникновения которых не совсем ясен. Среди них можно выделить -высокий уровень шума в выходном сигнале, высокий уровень паразитных колебаний на частотах, отличных от усиливаемых в усилителе и основной частоты генерации в генераторах, искажение амплитудных характеристик по диапазону и при изменении режима работы прибора, йскажение фазовых характеристик, включая резкие изменения дифференциальной крутизны и разрывы частотной характеристики в генераторах.

Достоинства и недостатки приборов М-типа (по сравнению с приборами О -типа) связаны с той спецификой взаимодействия в скрещенных полях, которая либо отсутствует, либо почти не играет роли во взаимодействии О - типа. К этим специфическим особенностям можно отнести следующие:

- взаимодействие бегущих электромагнитных волн с синхронной волной электронного потока, плоскость поляризации которой совпадает с плоскостью поляризации синхронной и циклотронной волн;.

- неэквипотенциальность пространства взаимодействия (в результате этого электроны, находящиеся на разных расстояниях от анода, имеют различные скорости);

- наличие боковых границ луча, условия фокусировки электронов на которых резко отличаются от условий фокусировки на верхней и нижней его границах;

- существование в приборах М-типа статических электрического и магнитного полей, принципиально неоднородных по поперечному сечению и практически неоднородных еще и по длине пространства взаимодействия.

Практически все существующие ныне теории, как классические [1], так и новые, не могут полностью объяснить сложившейся ситуации вследствие того, что используют ряд тех или иных допущений, значительно упрощающих математическую модель. Например, ранее не учитывалась рельефная структура поверхности замедляющей системы, то есть электроды предполагались для простоты гладкими, и ввиду этого статическое электрическое поле в пространстве взаимодействия считалось однородным. Однако наличие периодического возмущения, коим можно представить неоднородность электростатического поля, может привести к нарушению условий формирования электронных спиц или к возбуждению дополнительных колебаний в замедляющей системе.

Степень разработанности темы исследования. Изучением процессов взаимодействия электромагнитных волн с электронными потоками в скрещенных полях занимались многие ученые. Среди них необходимо отметить JI.A. Вайнштей-на, B.C. Стальмахова, М.Б. Цейтлина, Д.И. Трубецкова, Дж. Роу, Дж. Седина, Ж. Мурье, Дж. Файнштейна [2 - 9] и других. В работах Е.М. Ильина, В.Н. Макарова рассматривались вопросы усилении двухчастотного сигнала в амплитро-не [10 - 12], анализу многочастотных режимы работы лучевых приборов М-типа посвящены работы А.Г. Шеина, А.Н. Мутовкина, Д.Л. Еськина [31,32,55,56] и некоторых других ученых. Однако, среди всех работ, посвященных исследованию влиянию неоднородного электростатического поля на характеристики приборов М-типа, следует отметить работу П.Л. Капицы [13]. Современных работ о

влиянии неоднородного периодического электростатического поля на специфику взаимодействия в приборах этого типа пока что не существует.

Целью исследований является изучение процессов распространения электронного потока в статических полях - неоднородном периодическом электростатическом и однородном магнитном и усиления высокочастотного сигнала в таких полях как монохроматического, так и сложного спектрального состава, При реализации поставленной цели решены следующие основные задачи:

- Построена многочастотная математическая модель лампы бегущей волны М-типа плоской конструкции с учетом пространственно-периодического электростатического поля;

- Проведено исследование корректности разработанной математической модели и достоверности получаемых результатов при вариации параметров вычислительных процедур;

- Проведен цикл исследований по влиянию неоднородности электростатического поля и геометрических размеров замедляющей системы на особенности транспортировки электронного потока в пространстве взаимодействия;

- Рассмотрены процессы взаимодействия' потока с монохроматической высокочастотной волной при различных геометрических размерах замедляющей системы.

- Рассмотрены процессы усиления сигнала сложного спектрального состава при наличии пространственно-периодического электростатического поля.

Научная новизна работы заключается в следующем.

- Показано, что наличие неоднородности распределения электростатического поля в пространстве взаимодействия, вызванное структурой периодической замедляющей системы, приводит к нарушению прямолинейности движения потока, в связи с чем форма потока носит принципиально иной характер, нежели считалось ранее, когда разрезной структурой замедляющей системы пренебрегали.

- Приведено объяснение вида траекторий электронов в периодически неоднородном электростатическом поле с точки зрения циклоидального движения в скрещенных полях.

- Установлено, что наличие такого поля существенно изменяет электрические режимы работы прибора при усилении монохроматического сигнала, искажает амплитудные характеристики, которые напрямую зависят от геометрических размеров как самой замедляющей системы, так от длины пространства взаимодействия.

- Определены условия, при которых поток, инжектируемый в пространство взаимодействия со скоростью, равной фазовой скорости волны, сохраняет практически линейный вид, что позволяет повысить выходную мощность усилителя.

- Доказано, что при усилении сигнала, представляющего собой суперпозицию волн с различными частотами, существенное значение приобретает разность фаз волн на входе прибора, изменением которых можно управлять величинами выходных мощностей отдельных сигналов.

- Наличие на входе прибора многочастотного (в частности, трехчастотного) сигнала приводит к конкуренции составляющих с разными частотами, что является причиной нарушения группировки электронного потока, проявляющейся в непериодическом изменении его структуры и, как следствие, к резкому изменению уровня мощности на выходе прибора.

- Нарушение ламинарности движения потока и появление нестационарных условий перегруппировки потока может частично объяснять повышение шума в выходном сигнале в лучевых приборах М-типа.

Теоретическая и практическая ценности заключаются в том, что проведенные исследования позволяют наиболее полно описать процессы взаимодействия электромагнитных волн с электронными потоками в скрещенных полях, выбрать размеры замедляющей системы, а также величины статических полей, при которых наиболее эффективно осуществляется процесс усиления сигнала. Предло-

женная модель дает возможность изучать процессы взаимодействия электронного потока с как с монохроматическими волнами, так и с сигналами сложного спектрального состава в скрещенных неоднородном электростатическом и однородном магнитном полях.

Методология и методы исследования. При выполнении диссертационной работы была использована следующие экспериментальные и теоретические методологии исследований:

- Для построения математической модели ЛБВМ применялись методы физической электроники, электродинамики, электростатики, численные методы решения систем дифференциальных уравнений.

- Численные эксперименты, основанные на разработанной модели, проводились с использованием методов компьютерного моделирования.

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.

- Математическая модель лампы бегущей волны М-типа, учитывающая периодическую структуру распределения электростатического поля в пространстве взаимодействия, а также различные начальные фазы составляющих гармоник сигнала сложного спектрального состава на входе прибора.

- Анализ влияния степени неоднородности электростатических полей и геометрических размеров замедляющей системы на форму электронного потока в пространстве взаимодействия.

- Численный эксперимент по изучению процессов взаимодействия электронного потока с монохроматическим сигналом при наличии периодической неоднородности электростатического поля.

- Особенности процессов усиления сигнала сложного спектрального состава и конкуренции волн в зависимости от соотношения начальных фаз каждой из составляющих этого сигнала.

Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на ХШ-ой и XIV-ой Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (2009 г., 2010 г.); на 16-ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-16, Екатеринбург, 2010 г.; на Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (Computer-Based Conference), г. Пенза, 2010 г., на 23-ей Международной конференции КрыМиКо «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» ( 23rd International Crimean Conference Microwave & Telecommunication Technology) , г. Севастополь, Украина, 2013 г.

Публикации. По результатам данной работы имеются 10 публикаций.

В журналах из списка ВАК РФ:

1. Буланцев, С.С. Вычисление распределения электростатического поля в плоской гребенчатой системе / А.Г. Шеин, С.С. Буланцев // Известия ВолгГТУ. Сер. «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь». - 2009. - № 3. -С. 44-48.

2. Буланцев, С.С. Влияние периодической неоднородности электростатического поля на группировку электронного потока в скрещенных полях / А.Г. Шеин, С.С. Буланцев // Известия ВолгГТУ. Сер. «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь». - 2011. - № 6. - С. 26 - 29.

3. Буланцев, С.С. Моделирование лампы бегущей волны М-типа с учетом неоднородного электростатического поля / А.Г. Шеин, С.С. Буланцев // Известия ВолгГТУ. Сер. «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь». -2012.-№6.-С. 42-46.

4. Буланцев, С.С. Усиление сигналов в ЛБВМ при наличии периодической неоднородности электростатического поля / С.С. Буланцев, В.В. Жога, А.Г. Шеин // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2012. - Т. 17. -

№ ю.- С. 39-42.

Статьи в других изданиях:

5. Bulantsev, S.S. Signal amplification in a TWTM in the presence of the periodical the inhomogeneity of the electric field / S.S. Bulantsev, V.V. Zhoga , A.G. Shein // Технологии живых систем. - 2012. - Т. 17. - № 10. -С. 039 - 042.

Тезисы докладов на конференциях:

6. Буланцев, С.С. Расчет распределения электростатического поля в замедляющей системе типа «плоская гребенка» / С.С. Буланцев // ХШ Регион, конф. молодых исслед. Волгоградской обл.: Тез.докл. - Волгоград: РПК «Политехник». -2009.-С. 274-277.

7. Буланцев, С.С. Узкий электронный поток в неоднородном электростатическом поле / С.С. Буланцев // XIV Регион, конф. молодых исслед. Волгоградской обл.: Тез.докл. - Волгоград: РПК «Политехник». - 2010. - С. 276 - 279.

8. Буланцев, С.С. Влияние неоднородного электростатического поля на группировку потока в пространстве взаимодействия / С.С. Буланцев // ВНКСФ-16: Шестнадцатая Всероссийская научная конфёренция студентов-физиков и молодых ученых: материалы конф., информ. бюл. - Екатеринбург: Изд-во АСФ России. - 2010. - С. 544-545.

9. Буланцев, С.С. Моделирование динамики электронного потока в скрещенных магнитном и неоднородном электрическом полях на кластере центральных и графических процессорных устройств / Е.А. Шамов, С.С. Буланцев, А.Г. Шеин // Международная научно-техническая конференция (Computer-Based Conference) «Современные информационные технологии». - г. Пенза: сб. трудов. -2010 г.-№ И.- С. 8- 12.

10. Буланцев, С.С. Влияние периодической неоднородности электростатического поля на характеристики приборов М-типа / А.Г. Шеин, С.С. Буланцев // 23-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - г. Севастополь, Украина: Сб. трудов в 2 т. - 2013. - Т.1. - С.236 - 237.

Личный вклад автора.

В соответствии с задачами, поставленными научным руководителем, автор принимал непосредственное участие в создании математической модели, в полу-

чении аналитических соотношений распределения электростатического поля в пространстве взаимодействия, в выполнении численной реализации модели ЛБВМ на ЭВМ, получил и анализировал результаты исследования процессов распространения электронного потока в пространстве взаимодействия с учетом пространственно-периодического электростатического поля.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников.

1 ОСОБЕННОСТИ ЛУЧЕВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ М-ТИПА

Лампы бегущей волны со скрещенными полями (ЛБВ М-типа или просто ЛБВМ)) обладают целым рядом достоинств по сравнению с другими приборами СВЧ диапазона: достаточно высокое значение коэффициента усиления, широко-полосность, возможность работы в импульсном и непрерывном режимах, сравнительно небольшая масса и габариты при получении высоких уровней выходной мощности. Благодаря распределенному по длине замедляющей системы взаимодействию электронного пучка с электромагнитным полем бегущей волны в приборах этого типа достигается значительное усиление при сравнительно небольшом токе пучка. Применение замедляющих систем со слабо выраженными резонансными свойствами обеспечивает усиление сигналов в широкой полосе частот. ЛБВМ создаются для работы как в импульсном, так и в непрерывном режимах, а также для поочередной работы в обоих режимах [14].

1.1 Принцип работы лучевого усилителя М-типа

Усиление высокочастотного сигнала в ЛБВМ основано на группировке электронного потока, транспортируемого в пространстве взаимодействия, в поле бегущей волны, формируемой распределенной в пространстве замедляющей системой, при условии синхронизма скорости потока и фазовой скорости волны [13]. Принцип работы ЛБВМ таков.

Ленточный электронный пучок 1 (рисунок 1.1), сформированный электронно-оптической системой 2 и 3, инжектируется в пространство взаимодействия, образованное неэмиттирующим отрицательным электродом 4 и расположенным над ним отрезком замедляющей системы 5 [3, 14]. Штриховыми линиями на рисунке изображены верхняя и нижняя границы ленточного электронного потока в статическом режиме, т. е. когда в пространстве взаимодействия отсутствуют внешние высокочастотные поля. Электронный пучок после взаимодействия попадает на замедляющую систему 5 и частично на коллектор 6.

Вход 84

¡■СГП ч0

3'

11

1-

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема лучевого усилителя М-типа в плоском исполнении

В пространстве взаимодействия на электроны действуют постоянное электрическое поле Ё0 и направленное под прямым углом к нему магнитное поле В0. Вид статических траекторий электронов зависит от скорости у0 на входе в пространство взаимодействия. Предполагая, что электроны имеют только х-составляющие скорости, можно выделить следующие два основных типа электронных траекторий. Если скорость электрона у0 равна так называемой дрейфовой скорости удр, зависящей от постоянных полей Е0 и В0 и определяемой формулой у0=Е0/В0, траектория электрона имеет вид прямой линии. В этом случае электрон движется под прямым углом как к электрическому, так и к магнитному полю. Если у0 ф у^р, электрон движется по циклоидальной кривой, центр которой

дрейфует в направлении оси х со скоростью удр.

В реальных усилителях электронный пучок имеет конечную толщину. При определенных соотношениях между напряженностью магнитного поля и постоянной составляющей плотности пространственного заряда траектории электронов пучка будут прямолинейными, а продольная скорость будет зависеть от поперечной координаты, как показано на рисунке 1.1. Для эффективного взаимодействия электронного потока с электромагнитной волной, распространяющейся по замедляющей системе, при обеспечении синхронизма между скоростью электронов у0

и фазовой скоростью волны = замедляющая система должна обеспечить

замедление скорости волны, равное = X/ Х3 (где X - длина электромагнитной волны в свободном пространстве; Х3 - длина замедленной волны) [13].

Когда на вход усилителя подается подлежащая усилению электромагнитная волна, траектории электронов по сравнению со статическими траекториями существенно изменяются. На электроны, находящиеся в пространстве взаимодействия, действуют, помимо статических полей, продольная (Ех) и поперечная (Еу) составляющие высокочастотного поля. Распределение продольной составляющей ВЧ поля вдоль координаты у подчиняется закону гиперболического синуса (рисунок 1.1), а поперечной составляющей - закону гиперболического косинуса. Максимальные значения продольной и поперечной составляющих сдвинуты друг относительно друга по оси х на Х3/4. Таким образом, структура ВЧ поля в пространстве взаимодействия сложная и зависит, прежде всего, от конструкции замедляющей системы (точнее, от соотношения между длиной замедленной волны и периодом замедляющей структуры). Высокочастотное поле, периодическое вдоль поверхности замедляющей системы, можно разложить в ряд Фурье по координате х (пространственные гармоники). Пространственные гармоники имеют одну и ту же частоту со, но различные значения фазовой скорости и амплитуды поля.

Под действием высокочастотных электрических полей происходит группирование электронов в сгустки следующим образом (рисунок 1.2). Для электронов, находящихся в точках, где ВЧ поле Еу максимально (точка 1) и совпадает по направлению со статическим полем, дрейфовая скорость возрастает. Для электронов в окрестности точки 3 высокочастотное поле Еу вычитается из статического поля Е0, и поэтому их дрейфовая скорость уменьшается. Таким образом, электроны из областей, лежащих в окрестностях точек 1 и 3, стягиваются в область максимального тормозящего электрического поля (в точку 2), образуя электронные сгустки. Тормозящее ВЧ поле Ех обусловливает наклон суммарного электрического поля по отношению к электродам лампы и, следовательно, электронные сгустки начинают смещаться вверх к замедляющей, системе, двигаясь одновременно вдоль оси

х с дрейфовой скоростью. Электроны, находящиеся в области ускоряющего электрического поля (точка 4) движутся к отрицательному электроду.

Электронные сгустки, находясь все время в тормозящем электрическом поле волны, отдают полю свою кинетическую энергию. Однако потеря кинетической энергии в процессе взаимодействия и смещения электронов на более высокие эквипотенциальные уровни непрерывно компенсируется за счет ускорения электронов в статическом поле таким образом, что в среднем кинетическая энергия электронов вплоть до их попадания на замедляющую систему и коллектор остается практически постоянной. Следовательно, в процессе энергообмена электроны пучка в итоге отдают ВЧ полю часть потенциальной энергии, которую они имеют в электростатическом поле между замедляющей системой и отрицательным электродом [13].

а) 6)

Рисунок - 1.2 Формирование электронных сгустков в пространстве взаимодействия лучевого усилителя при малом (а) и большом (б) сигналах

Таким образом, можно отметить следующие особенности механизма взаимодействия в лучевых приборах М-типа. Электроны, попадая на замедляющую систему или на коллектор, рассеивают ту кинетическую энергию, которую они получают от источника постоянного тока. На протяжении всего времени взаимодействия выполняется синхронизм между дрейфовой скоростью электрона и фазовой скоростью замедленной волны. Интенсивность формирования электронных сгустков в начальной области пространства взаимодействия зависит, в основном, от величины продольной составляющей ВЧ электрического поля волны на уровне статической траектории электронного пучка. Анализ формиро-

вания электронов в сгустки выявляет дополнительную особенность группирования в приборах М-типа. В отличие от приборов О.-типа модуляция по плотности не сопровождается в первом приближении повышением объемной плотности пространственного заряда. Происходит лишь деформация границ электронного облака. Следовательно, переменная составляющая ВЧ тока обусловлена, прежде всего, периодически изменяющейся границей электронного облака (рисунок 1.2). Увеличение переменной составляющей конвекционного тока в приборах М-типа происходит непрерывно в процессе взаимодействия электронов с ВЧ полем.

В случае же учета пространственно-периодического электростатического поля синхронизм между дрейфовой скоростью электрона и фазовой скоростью замедленной волны может нарушаться, что приведет, в свою очередь, к нарушению процесса передачи потенциальной энергии высокочастотному полю усиливаемого сигнала [13].

1.2 Модельные представления ЛБВМ

1.2.1 Проблема описания лучевых усилителей М-типа

Расчет характеристик приборов М-типа традиционно проводился на основе простых инженерных соотношений, полученных в результате анализа экспериментальных характеристик приборов. Такой подход с использованием аналитических соотношений, методов подобия и т.п. удобен для предварительного, грубого анализа характеристик прибора [15 - 21]. Однако, для точного и полного расчета необходимо моделирование процесса взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком. Процесс электронно-волнового взаимодействия описывается дифференциальными уравнениями, решение которых аналитически получить невозможно [4, 13, 22 - 24]. В связи с этим возникла необходимость компьютерного моделирования работы приборов М-типа [25 - 32].

Среди работ, описывающих процессы усиления сигнала в пространстве взаимодействия лучевых приборов М-типа, стоит отметить исследования Файн-

штейна и Кайно [10], модель Седина [7], модель Куерса и Халло [33], многочастотную модель М.Б. Цейтлина [2, 3], построенную на основе теории возбуждения электромагнитных волн непрямолинейными электронными потоками, разработанной Л.А. Вайнштейном [4, 34], и другие. Все модели эти модели являются в определенной степени несовершенными, описывающими ту или иную сторону явлений, возникающих в пространстве взаимодействия в скрещенных полях. Так все вышеперечисленные модели объединяет предположение об однородности электростатического поля, когда для простоты расчетов не учитывается разрезная структура замедляющей системы. Вследствие этого они обходят стороной явления, связанные с существованием в приборах М-типа статических электрического и магнитного полей, принципиально неоднородных по поперечному сечению и практически неоднородных еще и по длине пространства взаимодействия, что, в свою очередь, делает результаты этих моделей идеализированными и приблизительно описывающими физику электронно-волнового взаимодействия.

Следует отметить, что периодическая структура замедляющей системы, наличие боковых границ, неоднородности статических полей определяют условия формирования электронного потока. Вопросы же связи статического движения электронов с выходными параметрами приборов М-типа в настоящее время изучены явно недостаточно, так как в большинстве теорий используются модели прямолинейных и однородных электронных потоков.

Существование неоднородного электростатического поля приводит к тому, что при отклонении условий инжекции электронного потока от оптимальных движение электронов приобретает трохоидальный характер, при котором в пространстве периодически изменяются как скорость движения электронов, так и их расстояние до замедляющей системы. Влияние пространственного заряда на движение электронного потока в периодически-неоднородном пространстве вызывает в ламинарном электронном потоке М-типа статический сдвиг скоростей по поперечному сечению луча. В свою очередь, статический сдвиг скоростей в луче приводит к активной связи синхронных волн и обуславливает диокотронный эффект в приборах М-типа [35].

Необходимо сказать, что в реальности такие параметры, как КПД и выходная мощность не всегда достигали своего максимального значения, предсказываемого теорией. Кроме того, выяснилось, что в приборах М-типа наблюдаются такие явления, как аномально высокий шум в выходном сигнале, высокий уровень паразитных колебаний на частотах, отличных от усиливаемых в усилителе и основной частоты генерации в генераторах, искажение амплитудных характеристик по диапазону й при изменении режима работы прибора, искажение фазовых характеристик, включая резкие изменения дифференциальной крутизны и разрывы частотной характеристики в генераторах. Эти явления резко ухудшают качество выходного сигналов в приборах М-типа, требования к которому со стороны разработчиков радиоэлектронной аппаратуры постоянно растут, и не позволяют достигнуть высоких эксплуатационных параметров (коэффициента усиления, КПД, рабочего диапазона усиливаемых частот или диапазоне перестройки генератора, и т.д.), и поэтому могут быть названы аномальными.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Буланцев, Сергей Сергеевич, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями / Пер. с англ.; под ред. М. М. Федорова. - М.: ИЛ. - 1961. - Т. 1. - 520 с.

2 Цейтлин, М.Б. Линейная теория лучевых приборов М-типа цилиндрической конструкции / М.Б. Цейтлин, Н.Я. Черевацкий // Электронная техника. Сер. 1. -Электроника СВЧ. - 1969. - Вып. 8. - С. 3 - 8.

3 Цейтлин, М.Б. Сверхвысокочастотные усилители со скрещенными полями / М.Б. Цейтлин, О.В. Бецкий, М.А. Фурсаев. - М.: Сов. радио, 1978. - С. 171 - 263.

4 Вайнштейн, Л.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике / Л.А. Вайнштейн, В.А. Солнцев. -М.: Советское радио, 1973. - 392 с.

5 Стальмахов, B.C. Основы электроники сверхвысокочастотных приборов со скрещенными полями / B.C. Стальмахов. - М.: Сов. Радио. - 1963.

6 Трубецков, Д.И. Лекции по СВЧ электронике для физиков / Д.И. Трубецков, A.B. Храмов. - М.:Физматлит, 2003. - Т. 1. - 496 с.

7 Седин, Дж. Численный анализ лучевых ЛБВМ / Дж. Седин // Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями. - М. ИЛ. - 1961. - Т. I. -С. 462-472.

8 Роу, Дж. Е.. Теория нелинейных явлений в приборах сверхвысоких частот / Дж. Е. Роу. -М.: Советское радио. - 1969. - 616с.

9 Мурье, Ж. Теория слабого сигнала / Ж. Мурье // Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями. - М. ИЛ. - 1961. - Т. I. - С. 335-367.

10 Файнштейн, Дж. Лампы бегущей волны со скрещенными полями при большом сигнале / Дж. Файнштейн, Ж. Кайно // Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями. - М. ИЛ. - 1961. - Т. I. - С. 451-461.

11 Ильин, Е.М. Усиление двухчастотного сигнала амплитроном /Е.М. Ильин // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1975. - Вып. 4. - С. 41 - 49.

12 Ильин, Е.М. Исследование усиления сигналов с близкими частотами в приборе М-типа с распределенным катодом / Е.М. Ильин, В. М. Макаров, Т. А. Чистя-

кова // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1977. - Вып. 12. - С. 39 -47.

13 Капица, П.Л. Электроника больших мощностей / П.Л. Капица. - М.: АН СССР, - 1962.-237 с.

14 Кукарин, C.B. Электронные СВЧ приборы: характеристики, применение, тенденции развития / C.B. Кукарин. - М.: Радио и связь. - 1981. - 272 с.

15 Байбурин, В.Б. Пространственный заряд и форма электронных спиц в скрещенных полях / В.Б. Байбурин // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. -1973.-Вып. 3,-С. 108-100.

16 Березин, В.М. Электронные приборы СВЧ / В.М. Березин, B.C. Буряк, Э.М. Гутцайт. - М.: Высшая школа, 1985. - 296 с.

17 Михайлевский, В. С. Элементы теории сверхвысокочастотных замедляющих систем / В. С. Михайловский - Ростов-н/Д: Изд-во Ростов, ун-та. - 1964. -191 с.

18 Налимов, В.В. Теория эксперимента / В.В. Налимов. - М.: Наука. - 1971. -207 с.

19 Обрезан, О.И. Анализ основных характеристик амплитрона / О.И. Обрезан // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1967. - Вып. 9. - С. 65-75.

20 Хворов, М.И. Приближенная оценка параметров модели электронного облака магнетрона в виде «жестких» самоуравновешенных спиц / М.И. Хворов // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Электроника. - 1964. - Вып. 7. - С. 92 - 111.

21 Ширшин, С.И. Модель для анализа и расчета рабочих характеристик амплитрона / С.И. Ширшин, В.Б. Байбурин, С.Н Фельд-Тарнопольский // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1976. - Вып. 10. - С. 32-39.

22 Гайдук, В.И. Физические основы электроники СВЧ / В.И. Гайдук, К.И Па-латов, Д.М. Петров. - М.: Сов. Радио. - 1971. - 600 с.

23 Гайдук, В.И. Дисперсионное уравнение для приборов М-типа с катодом в пространстве взаимодействия / В.И. Гайдук, В.Н. Макаров // Радиотехника и электроника. - 1973. - Т. ХУШ. - № 3. - С. 585-597.

24 Нечаев, В.Е. К анализу процессов в многорезонаторном магнетроне / В.Е. Нечаев // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 1964. - Т. 7. - № 1. - С. 146-159.

25 Калиткин, Н.Н. Численные методы / Н.Н. Калиткин. - М: Наука, 1978. - 514 с.

26 Терентьев, А.А. Трехмерные многоволновые и многопериодные модели магнетронных генераторов [Электронный ресурс]: дис. док. тех. наук: / Терентьев А. А. - Саратов, 2000. - 433 с. - Режим доступа: 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

27 Barnett, L.R. Relativistic performance analysis of a current magnetron injection gun [Электронный ресурс] / L.R. Barnett, N.C. Luhmann // Physics of plasmas. -2009. - V.. 16. Режим доступа: http://link.aip.org/link/phpaen/vl6/i9/p093111/sl/pdf.

28 Busoni, L. Fast subnanometer particle localization by travelling wave tracking [Электронный ресурс] / L. Busoni, A. Dornier // Journal of Applied Physics. - 2005. -Режим доступа:

http://scitation.aip.org/getpdf/servlet/GetPDFServlet?filetype=pdf&id-JAPIAU000098 000006064302000001 &idtype=cvips&prog=normal&doi=l 0.1063/1.2043230.

29 Nusinovich, G.S. Effect of transverse nonuniformity of the rf field on the efficiency of microwave sources driven by linear electron beams [Электронный ресурс] / G.S. Nusinovich, О. V. Sinitsyn // Phys. Plasmas. - 2005. - V. 12. - № 9. Режим доступа: http://link.aip.org/link/phpaen/vl2/i9/p093107/sl/pdf.

30 Евдокимов, P.А. Спектральный состав электронного потока в скрещенных полях [Электронный ресурс]: дис. канд. физ.-мат. наук / Евдокимов Р. А. - Волгоград. - 2004. - 127 с. - Режим доступа: 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

31 Еськин, Д.Л. Многочастотный режим работы дематрона [Электронный ресурс]: дис. канд. физ.-мат наук / Еськин Д. Л. — Волгоград. - 2008. - 110 с - Режим доступа: 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

32 Шеин, А.Г. Исследование физических процессов при многочастотном взаимодействии электромагнитных волн с электронными потоками в скрещенных полях [Электронный ресурс]: дис. док. физ.-мат. наук / А.Г. Шеин. - Харьков. -1974. - с. 297. - Режим доступа: 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

33 Халл, Дж. Последние достижения в области усилителей прямой волны со скрещенными полями и разомкнутым электронным лучом / Дж. Халл, Г. Покорный, Г. Куерс, П. Хесс и Е. Шоу // Труды 4-го Международного конгресса по приборам СВЧ. Перевод № 17-977. МЭП СССР. - 1966. - Вып. 2. - С. 124-155.

34 Вайнштейн, JI.A. Электромагнитные волны / JI.A. Вайнштейн.- М.: Радио и связь. - 1988.-440 с.

35 Кацман, Ю.А. Приборы сверхвысоких частот. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов / Ю.А. Кацман. - М.: Высшая школа. -1973.-Т. II.-384 с.

36 Вайнштейн, Л.А., Пространственный заряд в магнетронных приборах / Л.А. Вайнштейн, A.C. Рошаль // Лекции по электронике СВЧ (2-ая зимняя школа-семинар инженеров). - Изд-во Саратовского ун-та. - 1972. - Кн. 3. - С. 3 - 129.

37 Гайдук, В.И. Теория лучевых приборов М-типа цилиндрической конструкции с учетом влияния пространственного заряда / В.И. Гайдук, М.Б. Цейтлин. // Изв. вузов. Радиотехника. - 1966. - Т.9. - №3.»- С. 1316-1329.

38 Куликов, М.Н. Лучевые СВЧ приборы со скрещенными полями и специфика взаимодействия М-типа / М.Н. Куликов. - Изд-во Саратовского ун-та. - 1983. -156 с.

39 Лагранский, Л.М. Исследование амплитудных и фазовых характеристик лучевого каскадного усилителя М-типа / Л.М. Лагранский, Н.Г. Семеновский, П.Я. Чигиринский // Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника. - 1973. - Т. 16. - № 5. -С. 63 - 70.

40 Моносов, Г.Г. Распределение амплитуды поля СВЧ вдоль пространства взаимодействия приборов магнетронного типа / Г.Г. Моносов // Радиотехника и электроника. - 1962. - Т. 7. - № 7. - С.' 1157-1168.

41 Моносов, Г.Г. Траектории электронов в приборах магнетронного типа / Г.Г. Моносов // Радиотехника и электроника. - 1962. - Т. 7. - № 5. - С. 851-858.

42 Соколов, Д.В. Влияние непрямолинейности статических траекторий на работу лучевых приборов магнетронного типа / Д.В. Соколов, Д.И. Трубецков // Радиотехника и электроника. - 1965. - Т. 10. - № 8. - С. 1542 - 1544.

43 Стальмахов, B.C. Электронные волны в сверхвысокочастотных лучевых приборах со скрещенными полями / B.C. Стальмахов. - Изд-во Сарат. ун-та. -1970.-243 с.

44 Олейников, В.И. Методика расчета в трехмерном приближении неламинарных эллиптических электронных пучков в пролетных каналах СВЧ приборов О -и М-типов / В.И. Олейников // Электронная техника, сер. 1, Электроника СВЧ. -1980.-Вып. 1.-С. 51-61.

45 Стальмахов, B.C. Основы электроники.сверхвысокочастотных приборов со скрещенными полями / B.C. Стальмахов. - М.: Сов. Радио. - 1963.

46 Силин, В.А. Замедляющие системы / В.А. Силин, В.П. Сазонов. - М.: Сов. Радио. - 1966.-632 .с.

47 Тараненко, 3. И. Замедляющие системы / 3. И. Тараненко, Я. К. Трохименко. -Киев, - 1965.-308 с.

48 Пименов, Ю.В. Техническая электродинамика / Ю.В. Пименов. - М.: Радио и связь. - 2000. - 536 с.

49 Миролюбов, H.H. Методы расчета электростатических полей / H.H. Миро-любов. - М.: Высшая школа. - 1963. - 416 с.

50 Рошаль, A.C. Моделирование заряженных пучков / A.C. Рошаль. - М.: Мир. -1978.-287 с.

51 Шамов, Е.А. Моделирование динамики электронного потока в скрещенных магнитном и неоднородном электрическом полях на кластере центральных и графических процессорных устройств / Е.А. Шамов, С.С. Буланцев, А.Г. Шеин // Международная научно-техническая конференция (Computer-Based Conference) «Современные информационные технологии»: сборник науч. трудов конф. - Пенза.-2010 г.-№ 11.-С. 8-12.

52 Буланцев, С.С. Моделирование лампы бегущей волны М-типа с учетом неоднородного электростатического поля / А.Г. Шеин, С.С. Буланцев // Известия ВолгГТУ. Сер. «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь». -2012.-№6.-С. 42-46.

53 Bulantsev, S.S. Signal amplification in a TWTM in the presence of the periodical the inhomogeneity of the electric field / S.S. Bulantsev, V.V. Zhoga, A.G. Shein // Технологии живых систем. - 2012. - Т. 17. - № 10. - С. 039 - 042.

54 Буланцев, С.С. Усиление сигналов в ЛБВМ при наличии периодической неоднородности электростатического поля / С.С. Буланцев, В.В. Жога, А.Г. Шеин // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2012. - Т. 17.-№ 10. -С. 39-42.

55 Бакулин, В.М. Многочастотный режим ЛОВ М-типа [Электронный ресурс]: дис. канд. физ.-мат наук / В.М. Бакулин, ВолгГТУ. - Волгоград, 2004. — 130 с. — Режим доступа: 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

56 Мутовкин, А.Н. Усиление СВЧ колебаний с близкими частотами в ЛБВ М-типа [Электронный ресурс]: дис. канд. физ.-мат. наук / Мутовкин А. Н. - Волгоград. - 2003. - 146 с. - Режим доступа: 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

57 Пирс, Дж. Р. Теория и расчет электронных пучков / Дж. Пирс. - М.: Сов. радио. - 1956. - 216 с.

58 Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. Численные методы. - М.: Бином. - 2001 - С. 363-375.

59 Ильина В. А., Силаев П. К. Численные методы для физиков-теоретиков, т. 2. - Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований. - 2004. - С. 16-30.

60 Рошаль, A.C. Сглаживание кулоновского поля в моделях «крупных» частиц / A.C. Рошаль // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. - 1976. - Вып. 5. -С. 72 - 77.

61 Решение задач методом крупных частиц / Под общ. ред. С.П. Ломнева. - М.: ВЦ АН СССР. - 1970. - 84 с.

62 Романов, П.В. О решении уравнения Пуассона для области взаимодействия электронных приборов / П.В. Романов, A.C. Рошаль // Известия вузов СССР. Радиофизика. - 1971. - Т. 14. - № 7. - С. 1097 - 1104.

63 Шеин, А.Г. О расчете полей пространственного заряда в приборах М-типа / А.Г. Шеин, В.М. Бакулин, А.Н. Мутовкин // Радиотехника и электроника. - 2000. - Т. 45. - №10. - С. 1269 - 1272.

64 Буланцев, С.С. Расчет распределения электростатического поля в замедляющей системе типа «плоская гребенка» / С.С. Буланцев // XIII Регион, конф. молодых исслед. Волгоградской обл.: Тез.докл. - Волгоград: РПК «Политехник». -2009.-С. 214-217.

65 Буланцев, С.С. Вычисление распределения электростатического поля в плоской гребенчатой системе / А.Г. Шеин, С.С. Буланцев // Известия ВолгГТУ. Сер. «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь». - 2009. - № 3. - С. 44-48.

66 Шеин, А. Г. Вакуумная и газоразрядная электроника / А. Г. Шеин, Д. Г. Ковтун. - Волгоград, ВолгГТУ. - 2008. - Ч. 1. - 104 с.

67 Буланцев, С.С. Узкий электронный поток в неоднородном электростатическом поле / С.С. Буланцев // XIV Регион, конф. молодых исслед. Волгоградской обл.: Тез.докл. - Волгоград: РПК «Политехник». - 2010. - С. 276 - 279.

68 Буланцев, С.С. Влияние неоднородного электростатического поля на группировку потока в пространстве взаимодействия / С.С. Буланцев // ВНКСФ-16: Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: материалы конф., информ. бюл. - Екатеринбург: Изд-во АСФ России. - 2010. - С. 544-545.

69 Буланцев, С.С. Влияние периодической неоднородности электростатического поля на группировку электронного потока в скрещенных полях / А.Г. Шеин, С.С. Буланцев // Известия ВолгГТУ. Сер. «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь». - 2011. - № 6. - С. 26 - 29.

70 Буланцев, С.С. Влияние периодической неоднородности электростатического поля на характеристики приборов М-типа / А.Г. Шеин, С.С. Буланцев // 23-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - г. Севастополь, Украина: Сб. трудов в 2 т. - 2013. - Т. 1. - С.236 - 237.