Введение к работе
Актуальность исследования. Перспективным направлением развития усилительной техники является плазменная СВЧ электроника. Преимущества плазмозаполненных приборов О-типа заключаются в более широкой полосе усиления, повышении КПД, а также в возможности перестройки рабочей полосы в ходе эксплуатации прибора. Область применения таких устройств очень широка: системы связи, радиолокации, технологические установки, установки для осуществления управляемого ядерного синтеза и др.
Новые требования, предъявляемые к вакуумным приборам СВЧ, предусматривают укорочение длины волны, увеличение мощности и КПД, расширение рабочей полосы частот, что приводит к необходимости создания новых средств их проектирования и создания новых принципов их построения.
Устройствами, сочетающими преимущества плазменных ЛБВ (ПЛБВ) с простотой практического применения вакуумных приборов являются пучково-плазменные приборы с гибридной замедляющей системой. Данный класс устройств ставит задачу разработки новых методов расчета рабочих характеристик прибора и его настройки на стадиях проектирования, изготовления и настройки.
Целью настоящей работы является разработка методов моделирования электродинамических и электронных процессов в плазмозаполненных приборах СВЧ, создание на этой основе программного комплекса для проектирования в интерактивном режиме от геометрии замедляющей системы до выходных характеристик ПЛБВ с резонаторными замедляющими системами и его применение для разработки приборов с качественно новыми характеристиками, а также исследование основных свойств пучково-плазменных приборов СВЧ для разработки оптимальной конструкции прибора для широкополосной радиосвязи.
Основные задачи исследования:
1.Создание программного комплекса анализа зависимости выходных характеристик резонаторных ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала от геометрии замедляющей системы и режима работы для проектирования в интерактивном режиме.
2.Апробация программного комплекса при разработке приборов с качественно новыми характеристиками.
3.Разработка методов экспериментального исследования основных электродинамических характеристик.
4.Изучение стохастической модуляции выходного сигнала пучково-плазменных приборов СВЧ для разработки оптимальной конструкции прибора для широкополосной радиосвязи.
Объектом исследования явились лампы бегущей волны с плазменным заполнением пролётного канала, а именно усилители с замедляющей структурой типа связанных резонаторов.
Методы исследования. Для решения поставленной задачи была
разработана математическая модель, составлен алгоритм для численного решения составляющих ее уравнений и разработан программный пакет, сочетающий уже существующие средства для расчета электродинамических характеристик ПЛБВ с разработанной автором программой расчета электронных характеристик. Проведены экспериментальные исследования с целью изучения характеристик мощных ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала и определения достоверности полученных результатов.
Научная новизна исследования заключается в том, что получены следующие результаты:
1 .Разработан оригинальный метод моделирования и расчёта мощных ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала, позволяющий получать семейства амплитудно-частотных характеристик в зависимости от геометрии прибора, параметров плазмы, величины индукции продольного магнитного поля и режима работы.
2.Впервые показано, что введение пролётно-группирующей секции приводит к увеличению КПД в плазменном режиме работы ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала.
3.Исследована зависимость дисперсионных характеристик гибридных ЗС от радиального распределения плотности плазмы в пролётном канале.
4.Впервые экспериментально исследованы спектральные характеристики шумоподобной модуляции тока электронного пучка и выходного сигнала ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала.
5.Разработан метод бегущей волны для экспериментального исследования дисперсии и характеристик согласования ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала, позволяющий экспериментально определить зависимость замедления и полосы пропускания от концентрации плазмы в пролётном канале прибора и производить настройку устройств ввода и вывода СВЧ мощности.
Практическая ценность работы
Разработаны программный пакет и методика, позволяющие производить расчет выходных характеристик ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала.
Разработан метод расчета, позволяющий производить оптимизацию конструкции и режима работы ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала.
Разработана экспериментальная методика регистрации высокочастотной модуляции тока электронного пучка, впервые позволившая измерить спектральные и статистические характеристики высокочастотной модуляции тока электронного пучка и выходного сигнала.
Разработан метод бегущей волны для экспериментального измерения дисперсионных характеристик гибридной ЗС, позволяющая определить ее параметры на стадии изготовления пучково-плазменного прибора СВЧ.
Разработан метод расчета оптимальной длины пролётно-группирующей секции в многосекционной ЗС, позволяющий повысить КПД прибора и уменьшить массо-габаритные характеристики.
Достоверность научных результатов и обоснованность научных
положений подтверждается экспериментальными измерениями
соответствующих характеристик на макете гибридной замедляющей системы для различных концентраций плазмы в пролётном канале ЛЕВ и на действующем макете усилителя на основе ЛЕВ с плазменным заполнением пролётного канала.
Основные положения выносимые на защиту:
1.Разработанные программный пакет и методика позволяют производить инженерный расчет амплитудно-частотных характеристик ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала.
2.Конструкция ЛБВ с дополнительной пролётно-группирующей секцией оптимальной длины позволяет повысить КПД прибора и уменьшить количество резонаторов ЗС.
З.Метод перестройки полосы усиления прибора за счет регулировки параметров режима работы позволяет управлять полосой усиления прибора в пределах 50% от полосы пропускания замедляющей структуры.
4.Экспериментальная методика регистрации высокочастотной модуляции тока электронного пучка позволяет измерять спектральные и статистические характеристики высокочастотной стохастической модуляции тока электронного пучка и расширения полосы выходного сигнала.
5.Результаты моделирования показывают, что применение параметрической модуляции стохастическими плазменными колебаниями с целью расширения информационного сигнала позволяет наиболее эффективно использовать ЛБВ с плазменным заполнением пролётного канала для получения сверхширокополосных сигналов.
6.Разработанная методика экспериментального измерения дисперсионных характеристик гибридной ЗС позволяет определить ее параметры на стадии изготовления пучково-плазменного прибора СВЧ.
Апробация результатов исследования и публикации.
Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах:
Седьмой всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», 25-27 мая 2005 г., г. Москва.
Конференция, посвященная 85-летию ВЭИ, 2-6 октября 2006 г., г. Москва.
Восьмой всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», 25-27 мая 2005 г., г. Москва.
Научный семинар ВЭИ 05 апреля 2010 года.
Научный семинар «Физика плазмы» лаборатории плазменной электроники физического факультета МГУ 19 апреля 2010 года.
Полученные в результате исследований технические решения защищены двумя патентами на полезную модель. Произведена регистрация кода
разработанного программного пакета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ (из них 2 статьи в рецензируемых печатных изданиях из перечня ВАК), список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Личный вклад автора в работы, на основе которых написана диссертация, является определяющим. Основные результаты экспериментов и расчетов, представленные в диссертации, получены непосредственно автором или при его определяющем личном участии. Анализ всего цикла работ, выводы диссертации и основные положения, выносимые на защиту, также принадлежат автору.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 126 страниц текста, включая 46 рисунков. Список цитируемой литературы насчитывает 63 наименования.
