Анотація до роботи:

Фролова Т.І., Нелінійна взаємодія двох замкнених електронних потоків з електромагнітним полем в автогенераторах зі схрещеними полями (двокаскадний магнетронний автогенератор). – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем. – Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню нелінійного механізму взаємодії двох замкнених електронних потоків з високочастотним (ВЧ) полем резонансної сповільнюючої системи (РСС), який полягає в основі роботи нового універсального надвисокочастотного (НВЧ) приладу – двокаскадного магнетронного автогенератора. Розроблена тривимірна математична модель двокаскадного магнетронного автогенератора в багатоперіодному, одновидовому і нерелятивіському наближеннях та створена на її основі чисельна модель з використанням методу макрочасток (МКЧ). Доведена адекватність розробленої чисельної моделі. Модель дозволяє проводити як розрахунки традиційних (звичайних і обернених) приладів так і чисельні експерименти з метою дослідження режимів роботи двокаскадного магнетронного автогенератора. Отримано кількісну оцінку основних енергетичних (ККД, ВАХ, вихідної потужності) і частотних (електронний зсув частоти (ЕЗЧ)) характеристик. Показано, що можна стрибкоподібно змінювати вихідну потужність приладу за допомогою включення/виключення окремих каскадів. Запропоновано практичну схему реалізації двокаскадного магнетронного автогенератора.

У дисертаційній роботі викладено результати проведених досліджень, на основі розробленої тривимірної самоузгодженої математичної моделі двокаскадного магнетронного автогенератора, що дозволила розглянути фізичний механізм електронно-хвильової взаємодії двох замкнених електронних потоків з резонансним електромагнітним полем. Математична модель реалізує новий підхід до створення магнетронних генераторів з поліпшеними вихідними параметрами. Проведені дослідження мають важливе прикладне значення, оскільки як оригінал моделі розглядається принципово новий прилад, що поєднує у собі переваги класичних і обернених магнетронів, а його практичне застосування дозволяє розширити можливості не тільки самих генераторів на основі магнетронного способу порушення, й пропонує шляхи поліпшення схемних рішень радіотехнічних систем, у яких як джерело електромагнітних коливань використовуються магнетрони.

Створення чіткої тривимірної математичної моделі двокаскадного магнетрона по суті є рішенням першої задачі на шляху серйозного обговорення питання про створення двокаскадних магнетронів з поліпшеними характеристиками і їхнє застосування в перспективних радіоелектронних системах. У цьому полягає головна практична цінність даної роботи, основні результати якої можна сформулювати в такий спосіб:

1. Розроблено тривимірну самоузгоджену багатоперіодну математичну модель двокаскадного магнетронного автогенератора з використанням методу великих часток. Дана математична модель дозволяє досліджувати нелінійний процес взаємодії двох замкнених електронних потоків з резонансним ВЧ полем в одновидовому і нерелятивістському наближеннях.

2. Проведено аналіз обчислювальної погрішності вирішення системи рівнянь руху. Для цього проводилося зіставлення отриманих результатів розв’язання диференціальних рівнянь руху з результатами, отриманими з закону збереження енергії частки, що рухається в схрещених статичних електричному і магнітному полях. Показано, що рівень обчислювальної погрішності при обраному кроці розв’язання рівнянь руху, рівному , не перевищував 3-4 %.

3. Проведено аналіз математичної моделі для різних дискретних сіток, що використовуються при кінцево-різницевому методі розв’язання рівняння Пуассона. Вибір кроку дискретизації ґрунтувався, з одного боку, на мінімізації обчислювальної погрішності, пов'язаної з можливою просторовою дисперсією, обумовленої різним кроком уздовж використовуваної системи координат, а з іншого – на принциповій можливості вирішення поставленої задачі, виходячи з ресурсів ЕОМ. Для розрахунку була обрана просторова сітка з розмірами (32х256х16). При виборі заряду великої частки процес дискретизації заряду проводився один раз перед початком розрахунку і надалі переукрупнення заряду не проводилося. Загальна кількість часток у процесі розрахунку змінювалася до моменту настання режиму обмеження емісії полем ПЗ і для використовуваних електричних режимів роботи не перевищувало 20000 часток.

4. Докладно розглянуто нелінійний механізм взаємодії в класичних магнетронах дециметрового, сантиметрового і міліметрового діапазонів довжин хвиль з різним рівнем вихідної потужності. Показано, що результатом взаємодії замкненого електронного потоку з ВЧ полем є утворення спиці ПЗ у гальмуючих фазах даного поля. Причому під час зсуву модуля фази між спицями і максимумом гальмуючих фаз більш ніж на (наприклад, при зміні анодної напруги), настає режим зриву генерації на робочому виді («перескок» частоти). Діапазон анодних струмів, обмежений настанням режиму зриву за умови зростання або спадання анодної напруги розглядається як робочий діапазон анодних струмів на даному виді коливання (-вид).

5. Розглянуто динамічні ВАХ класичних магнетронів, що працюють у широкому частотному діапазоні: від дециметрового до міліметрового діапазонів і, що генерують різні рівні вихідної потужності. Проведено порівняння розрахованих характеристик з аналогічними експериментальними залежностями. Показано, що розбіжність у поводженні зазначених залежностей не перевищує 3-5 % у всьому діапазоні робочих струмів. Це дозволяє застосувати розроблену математичну модель для проведення досліджень вихідних характеристик двокаскадного магнетрона.

6. Дослідження ВАХ і ЕЗЧ двокаскадних магнетронних автогенераторів показало, що область робочих струмів у даних приладах розширюється більше, ніж у 2-2,5 рази при незначному зменшенні ККД приладу (близько 10% у середньому) і зростанні вихідної потужності в 1,8 – 1,9 рази для приладів різного рівня вихідної потужності (малопотужний і могутній двокаскадний магнетрон), але близьких за величиною потужності для кожного з каскадів. Спостерігалося зниження перепаду значень ЕЗЧ на 6 Мгц і в робочому діапазоні анодних струмів двокаскадного магнетрона не перевищувало 10-13 МГц.

7. Розглянуто можливості реалізації спеціальних режимів роботи, які пов'язані з модуляцією і синхронізацією коливань у двокаскадному магнетронному автогенераторі. Показано, що в новому приладі можливе одержання різних рівнів вихідної потужності сигналу за рахунок швидкого переключення каскадів магнетрона, що дуже важливо при вирішенні практичних задач сучасними багатофункціональними і багатоканальними РЛС. Так, при вимиканні зовнішнього каскаду рівень потужності падає приблизно вдвічі, а внутрішнього — майже в 5 разів.

8. Проведено експериментальне дослідження розподілу магнітного поля, яке показало, що застосування у двокаскадному магнетроні стандартної МФС дозволяє, з одного боку, спростити його проектування, а з іншого – підвищити ефективність використання магнітного поля.

9. Запропоновано дві схеми РСС для практичної реалізації конструкції двокаскадного магнетронного автогенератора, що дають можливість реалізувати різні режими роботи приладу і відповідають експериментальному розподілові аксіальної складової індукції магнітного поля уздовж радіуса в різних перетинах аксіальної довжини приладу.

10. Досліджено різні варіанти двокаскадного магнетронного автогенератора, зокрема, коли геометричні розміри просторів взаємодій для внутрішнього і зовнішнього каскаду, що були, або сильно рознесені по радіусу (), або слабко (). Аналіз показав, що застосування таких електродинамічних структур дозволяють поліпшити вихідні характеристики нового приладу (вихідна потужність збільшується в 1,8-1,9 рази). Вибір тієї або іншої РСС залежатиме від необхідного рівня потужності, яка генерується.

11. Запропоновано концепцію побудови і початкова реалізація віртуальної лабораторії для проведення досліджень основних параметрів магнетронних генераторів. Створено спеціалізований програмний продукт — для проведення фізичних досліджень механізму нелінійної взаємодії в приладах зі схрещеними полями для класичних (звичайних і обернених) магнетронів і двокаскадного магнетронного автогенератора. Розглянуто питання практичного застосування розробленого ПО.

На базі створеної математичної моделі розроблено спеціальний програмний продукт універсального призначення. З його допомогою є можливим аналіз нелінійних процесів у магнетронних генераторах (класичних, обернених і нетрадиційних (двокаскадний магнетрон)). Проведення досліджень можливо як у плані загальнофізичному для дослідження електронно-хвильового механізму взаємодії, так і для проведення автоматизованого проектування магнетронних автогенераторів.

Для подальшого розвитку поставлених у даній роботі задач є доцільним продовжити дослідження в напрямку вивчення особливостей взаємодії замкнених електронних потоків із ВЧ полем зв'язаних резонансних електродинамічних структур.

Публікації автора:

1. Чурюмов Г.И., Фролова Т.И.. Моделирование двухкаскадного магнетронного автогенератора // Вісник ХНУ ім. Каразіна. – 2004. № 646. – С. 198-203.

2. Чурюмов Г.И., Фролова Т.И., Грицунов А.В., Исаева Е.Б. Анализ частотных характеристик двухкаскадного магнетронного автогенератора // Вісник Сумського державного університету. Серія Фізика, математика, механіка. – 2004. – № 10(69). – С. 249-254.

3. Фролова Т.И., Чурюмов Г.И., Исаева Е.Б. Анализ нелинейного взаимодействия двух замкнутых электронных потоков с ВЧ волной резонансной замедляющей системы // Радиоэлектроника и информатика. – 2004. – №2 (27). – С. 47-50.

4. Фролова Т.И., Чурюмов Г.И. Особенности режимов работы двухкаскадного магнетронного автогенератора // Прикладная радиоэлектроника. – 2004. Том 3. – № 1. – С. 57-64.

5. Грицунов А.В., Копоть М.А., Лебедев О.Г., Фролова Т.И. О реализации метода Прони для слабо зашумленных выборок // Радиоэлектроника и информатика. – Харьков. – 2002. – № 4(21). – С. 27-32.

6. Васянович А.В., Грицунов А.В., Копоть М.А., Мутовіна Н., Фролова Т.І. Моделювання динаміки у нестаціонарних моделях приладів зі схрещеними полями // Теоретична електротехніка. – Вип. 56. – Львівський національний університет ім. Івана Франка. – 2002. – С. 54-59.

7. Васянович А.В., Грицунов А.В., Фролова Т.И., Чурюмов Г.И. Нестационарные процессы в приборах М-типа // Радиоэлектроника и информатика. – 2001. – №1(14). – С. 38-41.

8. Чурюмов Г.И., Фролова Т.И. Математическое моделирование нелинейных электронно-волновых процессов в нетрадиционном магнетронном генераторе // Радиотехника: Всеукр. Межвед. научн.-техн. сб. – 2001. – Вып.117. – С. 92-95.

9. Деклараційний патент на винахід. Магнетрон. Ванцан В.М., Карушкін М.Ф., Фролова Т.І., Чурюмов Г.І., - № 45712А України, 7 Н01J25/50; Заявлено 12.06.2001; Опубл. 15.04.2002, Бюл. № 4. – 2 с.

10. G.I. Churyumov, T.I. Frolova, A.V. Gritsunov, O.M. Nikitenko, V.N. Zin’kovsky. The magnetrons – EMI sources: computer modeling and experimental investigations // Proceedings International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC Europe 2004). – Vol. 1. – Eindhoven (The Netherlands). – 2004, September 6-10. – P. 327-331.

11. G.I. Churyumov, T.I. Frolova, A.V. Gritsunov. A new high-power crossed field tube // Book of abstracts Euro Electromagnetics (EUROEM 2004). – Magdeburg (Germany). – 2004. – P. 116-117.

12. G.I. Churyumov, T.I. Frolova, A.V. Gritsunov. The two-stage magnetron – a new multifunctional microwave generator // Proceedings The Fifth IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC 2004). – Monterey (California, USA). – 2004, April 27-29. – P. 160-161.

13. G.I. Churyumov, T.I. Frolova, A.V. Gritsunov, O.M. Nikitenko, V.A. Prokopchik. Analysis of mode competition in magnetrons // Proceedings The Fifth IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC 2004). – Monterey (California, USA). – 2004, April 27-29. – P. 232-233.

14. G.I. Churyumov, T.I. Frolova, A.V. Gritsunov, O.M. Nikitenko, V.N. Zin’kovski. The influence of residual atmosphere in magnetron to its output parameters // Proceedings IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC 2003). – Seoul (Korea). – 2003, May 28-30. – P. 285.

15. Maksimov I.S., Churyumov G.I., Frolova T.I., Smol’yanov V.V. The concept of simulation results display in the research activities and distance education // Сб. науч. трудов ВИРТ-2002. – с. 267-272.

16. Максимов И.С., Фролова Т.И. Оптимизация конструкций анодных блоков магнетронов // Сб. науч. трудов 5-го Международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке", – Харьков. – Ч.2. – 2001. – С. 259-260.

17. Churyumov G.I., Frolova T.I., Gerasimov V.P., Gritsunov A.V., Kopot M.A. The re-entrant distributed-emission crossed field tubes: theory and experiment // Межвузовская конференция "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ". – Саратов (Россия). – 2001. – С. 169-172.

18. Frolova, T.I.; Churyumov, G.I. Simulation of a non-linear interaction in the combined magnetron // Proceedings VIII^th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (MMET*2000). – Vol. 1. – Kharkov (Ukraine). – 2000. – P. 358-360.

19. Churyumov, G.I.; Frolova, T.I.; Gritsunov, A.V.; Terehin, S.N. Advanced design of re-entrant beam distributed-emission crossed-field tubes // 13^th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications (MIKON-2000). – Vol. 2. – Wroclaw (Poland). – 2000. – P. 573-576.

20. Frolova T.I., Churyumov G.I., Sergeev G.I. Computer modelling of the electron-wave interaction in combined magnetron // Proceedings 1-st International Vacuum Electronics Conference (IVEC’2000). – Monterey (California). – 2000. – Р. 551-554.

21. Фролова Т.И., Чурюмов Г.И. Трехмерная математическая модель нетрадиционного генератора магнетронного типа // 9-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо‘1999). Севастополь – 1999. – С. 100-101.

22. Churyumov G.I., Frolova T.I. Analysis of electron-wave interaction in cathode driven crossed-field amplifiers by coupled-mode method // Proc. Third International Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves" (MSMW'1998). – Vol.1. – Kharkov (Ukraine). – 1998. – P. 233-235.