Введение к работе
Актуальность работы. Известно, что процессы электронно-волнового взаимодействия, протекающие в системах со скрещенными полями, отличаются существенно нелинейной динамикой, не поддающейся аналитическим методам.
Математическое моделирование указанных систем связано с численным решением системы уравнений, включающей уравнения Лапласа, Пуассона, волновое уравнение, уравнения движения и возбуждения.
Несмотря на обширную библиографию, включающую работы большого числа зарубежных и отечественных авторов (П.Л.Капица, Р.З.Сагдеев, Л.А.Арцимович, А.С. Рошаль, Г.Г. Моносов, С.И. Ширшин, В.Б. Байбурин и др.), научная и практическая значимость исследования процессов в скрещенных полях для таких областей как астрофизика, физика плазмы, электроника и др., приобретает все большую актуальность.
В частности, это связано с практически важным классом систем со скрещенными полями, представленными усилителями магнетронного типа, нашедшими широкое применение в системах связи и радиолокации.
Известные численные методы и построенные на их основе проблемно ориентированные программы не учитывают волны, отраженные от выхода усилителя и переотраженные от входа, а также возможность возникновения побочных колебаний, на частотах отличных от частоты основного усиливаемого сигнала. Указанные факторы определяют области ограничения режимов усилителей (область рабочих токов, устойчивость колебаний и т.д.). Изложенное определило следующую цель работы.
Цель работы: разработка математических методов моделирования электронно-волновых процессов в усилителях со скрещенными полями, учитывающих отражения от ввода и вывода энергии, наличие побочных видов колебаний, их конкуренцию с основным видом колебания, и их применение для исследования физических закономерностей в магнетронных усилителях разных типов.
Для достижения цели работы были решены следующие задачи:
-
Развитие математических методов многоволнового моделирования электронно-волновых процессов в цилиндрических усилителях со скрещенными полями разных типов (прямой и обратной волны, с пространством дрейфа и холостой ячейкой), в том числе и работающих в режиме генерации.
-
Разработка алгоритмов учета в модели отраженных и переотраженных волн, возбуждение побочных видов и их конкуренции с рабочим видом колебаний.
-
Создание математической модели магнетронных усилителей, учитывающей перечисленные эффекты, и программного обеспечения на ее основе.
-
Применение разработанной модели для исследования электронно-волновых процессов в рабочих и граничных (срыв усиления) режимах в магнетронных усилителях; исследования процесса возбуждения побочных видов колебаний, их конкуренции с рабочим сигналом и их влияния на границы усиления по анодному току и напряжению; моделирования работы магнетронных усилителей в генераторном режиме.
Методы исследования. Результаты диссертационной работы получены путем компьютерных исследований с помощью разработанной модели и натурных экспериментов. Численное решение основных уравнений модели проводилось с помощью метода «сеток», метода Хокни (при решении уравнения Пуассона), метода крупных частиц и метода однородного поля (при решении уравнений движения) и других методов.
Достоверность. Достоверность полученных результатов основана на корректном применении методов численного моделирования и адекватности их натурным экспериментам.
Научная и практическая значимость. Научная значимость заключается в том, что разработанные методы моделирования процесса возбуждения побочных видов колебаний и их конкуренции позволяют проводить качественный и количественный анализ физических процессов, ранее находившихся за пределами компьютерных исследований.
Практическая значимость работы заключается в следующем. Разработанные на основе математической модели программы расчетов успешно внедрены в практику проектирования магнетронных усилителей – амплитронов (платинотронов в режиме усиления), усилителей прямой и обратной волны М-типа (о чем имеются 3 акта внедрения). Численные расчеты позволили сократить количество промежуточных экспериментальных макетов и стоимость разработки. Результаты работы использовались в учебном процессе в дисциплинах «Компьютерное моделирование», «Проблемно-ориентированное моделирование».
Научная новизна работы.
-
Развита математическая модель динамических процессов для различного типа усилителей со скрещенными полями, основанная на совместном решении уравнений Лапласа, Пуассона, волнового уравнения, уравнений движения и возбуждения, отличающаяся возможностью учета отраженных и переотраженных волн, побочных колебаний и позволяющая описать рабочие характеристики усиления и граничные режимы.
-
Впервые предложена численная модель стабилотрона, позволяющая исследовать протекающие в нем физические процессы и проводить расчет его характеристик.
-
Предложен метод совместного решения уравнений модели, основанный на методе крупных частиц, приближении однородного поля, заключающийся в определении самосогласованного режима при одновременном учете как ВЧ волны, обусловленной входным сигналом, так и волн, возникших в результате отражений от устройств входа и выхода усилителя.
-
Разработан комплекс проблемно ориентированных программ, реализующий предложенную математическую модель для расчета и анализа приборов со скрещенными полями: амплитрона, ультрона и усилителей прямой и обратной волны с пространством дрейфа, стабилотрона.
-
На основе разработанного комплекса программ проведены компьютерные исследования следующих закономерностей исследуемых приборов:
– срыв колебаний на нижней границе усиления по анодному току в амплитроне вследствие конкуренции входного сигнала и низковольтного побочного автоколебания;
– срыв колебаний на верхней границе усиления по анодному току в амплитроне вследствие нарушения условия синхронизма ВЧ волны с электронным потоком;
– изменение частоты генерации стабилотрона: незначительное при больших значениях анодных токов и существенное при малых значениях анодных токов.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель магнетронных цилиндрических усилителей со скрещенными полями, учитывающая отражения от устройств ввода и вывода энергии, наличие побочных видов колебаний и их конкуренцию с основным видом колебания.
-
Алгоритм нахождения самосогласованного режима при одновременном учете как ВЧ волны, обусловленной входным сигналом, так и волн, возникших в результате отражений от устройств входа и выхода усилителя.
-
Программное обеспечение расчета и анализа магнетронных усилителей прямой и обратной волны с пространством дрейфа, амплитрона, ультрона и генератора стабилотрона.
-
Результаты компьютерного моделирования магнетронных усилителей, а именно зависимость частоты генерации от режима питания стабилотрона, влияние побочных видов колебаний на нижнюю границу усиления по анодному току и напряжению амплитрона, зависимость коэффициента усиления амплитрона и УПВМ от фазы коэффициента отражения
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2006), научно-технической конференции «Электронная и вакуумная техника. Приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2007), а также на научных семинарах кафедры «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» Саратовского государственного технического университета и научно-технических советах в ОАО «НИИ Тантал», ООО «ОКБ Приборостроения».
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, опубликованы в 14 печатных работах (статьях, текстах докладов), в т.ч. 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Имеется свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
