Харківський НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені В.Н. Каразіна

Волков Вадим Анатолійович

УДК 621.373:621.396.962.3

ІМПУЛЬСНІ ГЕНЕРАТОРИ ДЛЯ РАДІОЛОКАТОРІВ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА

01.04.01 - Фізика приладів, елементів і систем

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Радіоастрономічному інституті Національної Академії Наук України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Ваврів Дмитро Михайлович,

Радіоастрономічний інститут НАН України,

завідувач відділу електронних приладів НВЧ

(м. Харків).

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор,

Дробахін Олег Олегович,

Дніпропетровський національний університет,

завідувач кафедри прикладної і комп’ютерної

радіофізики;

доктор фізико-математичних наук, професор,

Чурюмов Геннадій Іванович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки, професор кафедри фізичних основ

електротехніки.

Провідна установа: Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова

НАН України, відділ вакуумної електроніки

(м. Харків).

Захист відбудеться 24.11.2005 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи 4, ауд. 3-9.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи 4.

Автореферат розісланий 18.10.2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ляховський А.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Протягом останнього часу значна увага приділяється розробці та запровадженню ефективних радіолокаторів для зондування навколишнього середовища, зокрема призначених для вивчення фізики процесів, що протікають у нижніх шарах атмосфери. До таких радіолокаторів висувається цілий ряд вимог, які включають: забезпечення довготривалої автономної роботи, високу надійність, зручність керування, здатність до дистанційного керування та мінімізацію участі кваліфікованого персоналу в підтримці роботи таких систем. Вибір передавачів для таких радіолокаторів є принципово важливим з огляду як на ідеологію побудови таких систем, так і на їх експлуатаційні характеристики, надійність та вартість. Параметри передавача у значній мірі визначають також і розрізняльну здатність та динамічний діапазон радіолокаційних систем. Магнетрони, зокрема магнетрони з холодним катодом, є одними з найбільш перспективних приладів для використання у радіолокаторах для зондування навколишнього середовища, особливо таких, що працюють у міліметровому діапазоні довжин хвиль. Разом з тим, фізичні процеси взаємодії магнетрона з іншими системами передавача, в першу чергу з модулятором, характеризуються значною складністю і до цього часу залишаються маловивченими.

Принципова нестаціонарність фізичних процесів у магнетроні з холодним катодом та специфічний характер процесу виникнення в ньому коливань істотно утруднюють одержання імпульсів випромінювання з малими амплітудними та частотними спотвореннями і призводять до серйозних проблем із забезпеченням безвідмовної роботи імпульсних генераторів на основі таких магнетронів. Традиційні методи аналізу імпульсних генераторів на основі класичних магнетронів виявилися мало придатними для аналізу та оптимізації передавачів на основі магнетронів з холодним катодом. У них, як правило, не передбачається можливості визначення параметрів перехідного процесу, а, отже, і характеру та величини спотворень імпульсу та ймовірних аварійних режимів перемикальних приладів. Всі ці фактори особливо важливо враховувати при розробці передавачів для радіолокаторів з високим розрізненням, а також модуляторів із застосовуванням напівпровідникових приладів, наприклад транзисторів, що характеризуються відносно малою електричною міцністю.

У рамках існуючих систем математичного моделювання процесів в електричних колах також дуже важко провести детальний аналіз роботи магнетронного генератора. Це обумовлено обмеженими можливостями таких систем, що робить практично неможливим аналіз схем, в які входять нестандартні елементи, зокрема магнетрон.

Таким чином, виникла необхідність у створенні адекватної математичної моделі імпульсного генератора на основі магнетрона з холодним катодом з метою детального дослідження його динамічних характеристик, розробки методів зменшення спотворень випромінюваних імпульсів та підвищення надійності передавачів. Така модель може серйозно скоротити час розробки передавачів та дозволить досягти їх високих експлуатаційних характеристик. Крім того, вона дасть можливість більш повно зрозуміти фізичні процеси у таких магнетронах за рахунок проведення детального моделювання процесів в імпульсному модуляторі й порівняння їх з експериментальними результатами. Впровадження таких потужних імпульсних джерел НВЧ випромінювання дозволить реалізувати високий потенціал магнетронів з холодним катодом при створенні високоефективних когерентних радіолокаторів міліметрового діапазону довжин хвиль. Розроблені методи аналізу імпульсних схем можуть бути застосовані для вивчення фізичних процесів в інших типах пристроїв, зокрема генераторів потужних субнаносекундних імпульсів для надширосмугової радіолокації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоретичні та експериментальні дослідження, результати яких узагальнені в роботі, провадилися автором у рамках наступних науково-дослідних робіт, що виконувалися у Радіоастрономічному інституті НАН України в 1995-2004 роках: проекти, підтримані Міжнародним науковим фондом (грант №U33000), “Розробка методів і засобів дистанційного зондування атмосфери Землі”, номер держ. реєстрації 0102U000621, “Розробка передавачів для доплерівських локаторів 3-мм діапазону довжин хвиль”, номер держ. реєстрації 0102U002486, госпдоговірні теми: “Розробка метеорологічної РЛС” - замовник фірма METEK, м. Гамбург, Німеччина (контракти 2002/09/27, номер держ. реєстрації 0102U006733; 2004/03/01, номер держ. реєстрації 0104U007477; 2004/04/23, номер держ. реєстрації 0104U007478); “Розробка метеорологічної РЛС” замовник фірма millisys Inc., м. Гванджу, Корея (контракт 2004/05/14, номер держ. реєстрації 0104U007479), “Розробка передавача W- діапазону” - замовник Oerlikon Contraves S.p.A. м.Рим, Італія (контракти: 2001/12/01, номер держ. реєстрації 0302U005331; 2002/03/30, номер держ. реєстрації 0102U005046).

Мета й задачі досліджень. Мета цієї роботи полягає у вивченні процесів, що протікають в колах імпульсних генераторів потужного НВЧ випромінювання та генераторів потужних субнаносекундних імпульсів, і розробці методів покращення параметрів таких генераторів стосовно до їх використання у складі радіолокаційних систем для вивчення навколишнього середовища. Для досягнення цієї мети вирішувались наступні задачі: розробка фізичних та математичних моделей елементів, що утворюють схеми імпульсних генераторів, зокрема магнетрона з холодним катодом; створення програмного забезпечення для математичного моделювання імпульсних схем, які містять нестандартні елементи або в яких застосовується робота елементів в нестандартних та незадокументованих режимах; аналіз динамічних процесів в імпульсних генераторах; створення зразків генераторів, в яких використовуються запропоновані рішення; впровадження створених генераторів у радіолокаційні системи для дистанційного зондування навколишнього середовища.

Як конкретний об'єкт дослідження були обрані швидкоплинні електромагнітні процеси, що протікають у колах імпульсних генераторів потужного НВЧ випромінювання та генераторів субнаносекундних імпульсів.

Предметом дослідження були імпульсні магнетронні генератори, генератори потужних субнаносекундних імпульсів, а також передавачі на основі магнетронів з холодним катодом для багатофункціональних доплерівських радіолокаторів дистанційного зондування навколишнього середовища.

Методи дослідження. Для створення моделей елементів схем генераторів застосовувався евристичний метод, заснований на використанні їх експериментально обміряних характеристик й аналізу поведінки таких елементів при роботі у складі експериментальних стендів. Вибір функцій, що апроксимують експериментальні дані, здійснювався емпірично за критерієм мінімальності середньоквадратичної похибки. Для моделювання процесів у колах генераторів використовувався метод еквівалентних схем із застосуванням метода становищ для виведення систем нелінійних диференціальних рівнянь, що їх описують. Зазначені системи аналізувалися чисельно за допомогою метода Рунге-Кутта. Експериментальні дослідження характеристик вихідних сигналів генераторів проводились у складі радіолокаційних систем на основі аналізу амплітудних та спектральних характеристик відбитих сигналів.

Обґрунтованість і достовірність результатів досліджень зумовлюється ретельною перевіркою застосованих математичних моделей шляхом їх експериментального дослідження з використанням тестових схем, порівняння отриманих при моделюванні результатів з такими, що були описані раніше, та успішним впровадженням отриманих результатів у практичні конструкції передавачів для діючих радіолокаційних станцій.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

- Вперше розроблено математичну модель магнетрона на просторових гармоніках з холодним катодом для математичного моделювання електричних схем, що включають цей прилад.

- Запропоновано нову апроксимацію вольтфарадних характеристик елементів схеми заміщення потужних високовольтних польових транзисторів з ізольованим заслоном, яка забезпечує високу точність і стійкість розв’язку модельних задач для кіл, що містять зазначені типи приладів.

- Розроблено методику моделювання імпульсних електричних схем, що включають у себе нестандартні елементи та прилади.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- Розроблена методику чисельного моделювання перехідних процесів у колах імпульсних магнетронних генераторів дозволяє: розрахувати границі стійкої роботи магнетрона та їхню залежність від параметрів кіл генератора, визначити оптимальні методи мінімізації спотворень вихідного імпульсу; вибирати оптимальну схему побудови генератора й тип складових компонентів.

- Розвинута методика чисельного аналізу імпульсних схем, які побудовані із застосуванням потужних польових транзисторів, дозволяє оптимізувати параметри різноманітних пристроїв на їх основі, зокрема, генераторів потужних субнаносекундних імпульсів з високою частотою повторення.

- Доведено ефективність застосування магнетронів з холодним катодом у доплерівських локаторах міліметрового діапазону довжин хвиль, що дозволяє використовувати такі магнетрони при побудові широкого кола передавачів міліметрового діапазону довжин хвиль.

- Розроблені генератори було застосовано при створенні кількох радіолокаційних систем наземного й бортового базування, призначених як для вивчення процесів у нижніх шарах атмосфери Землі, так і для моніторингу забруднення навколишнього середовища продуктами переробки нафти.

Особистий внесок здобувача. Викладені в дисертації результати були отримані автором самостійно, або при його особистій участі. В роботи, які були опубліковані у співавторстві, їм було зроблено такий внесок. В роботі [1] ним було розроблено схемотехніка генератора потужних субнаносекундних імпульсів на основі ефектів швидкого відновлення об'ємного опору і затримки лавинного пробою у напівпровідникових діодах і побудовано експериментальний зразок такого генератора. В роботах [2, 3] автор брав участь у постановці задач досліджень та методів їх вирішення, ним була також запропонована загальна структура програмного забезпечення для чисельного моделювання схем імпульсних генераторів. В роботах [4,5] ним розроблена ідеологія побудови магнетронних передавачів для радіолокаційних станцій дистанційного зондування навколишнього середовища, у розробці та побудові яких автор також брав безпосередню участь.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідалися й обговорювалися на III Міжнародній конференції “Фізика й застосування міліметрових і субміліметрових хвиль” (Україна, Харків, 1998), на 22-й Міжнародній конференції “Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves” (Сан-Дієго, США, 1997), на Міжнародній конференції IGARSS’99 (Гамбург, Німеччина), на Міжнародній конференції “Millennium Conference on Antennas and Propagation” (Давос, Швейцарія, 2000), на 30-й Міжнародній конференції “European Microwave Conference ” (Париж, Франція, 2000), на 32-й Міжнародній конференції “Microwave European Conference“ (Мілан, Італія, 2002); на V Міжнародній конференції “Фізика й застосування міліметрових і субміліметрових хвиль” (Україна, Харків, 2004)

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 5 статтях і 9 працях конференцій.

Основний зміст дисертації викладений на 130 сторінках машинописного тексту. Робота включає також 68 рисунків (з них 29 займають повну площу аркушу на 19 сторінках), список літератури з 101 бібліографічних найменувань (10 стор.). Загальний обсяг роботи - 162 сторінки.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми досліджень, сформульовані мета та задачі роботи, викладено новизну та практичну цінність отриманих результатів, а також відомості про їх апробацію та особистий внесок автора.

У першому розділі дисертаційної роботи на основі аналізу літературних джерел було визначено найбільш важливі вимоги, які ставляться до сучасних радіолокаційних систем для зондування навколишнього середовища. Було зроблено висновок про перспективність застосування магнетронів на просторових гармоніках з холодним вторинно-емісійним катодом у передавачах таких систем, особливо тих, що діють у міліметровому діапазоні довжин хвиль. У той же час, складність фізичних процесів у таких магнетронах і підвищені вимоги до якості вихідного імпульсу передавачів практично унеможливлює емпіричний підхід до побудови таких пристроїв і вимагає створення детальної математичної моделі системи магнетрон-модулятор. Проведений огляд можливостей, що надаються універсальними пакетами програм, призначеними для моделювання процесів в електричних колах виявив значні труднощі, що виникають у разі їх застосування для аналізу схем, що містять нестандартні елементи, зокрема магнетрон. Відмічено також дуже обмежену доступність моделей елементів, що використовуються для побудови модуляторів та обмежені можливості їх створення у розповсюджених систем моделювання процесів в електричних колах. Було зроблено висновок про необхідність створення власної системи математичного моделювання процесів у магнетронному генераторі.

Також було розглянуто методи формування потужних імпульсів з нано- та субнаносекундною тривалістю. Генератори таких імпульсів можуть застосовуватися, зокрема, в локаторах для підповерхневого зондування. Було відзначено перспективність схем, дія яких ґрунтується на процесах швидкого відновлення об’ємного опору та затримки лавинного пробою, що спостерігаються в напівпровідникових діодах. Такі схеми дозволяють отримувати імпульси з амплітудою, що перевищує кілька тисяч вольт при роботі на низькоомне навантаження.

У другому розділі дисертаційної роботи розглянуто результати моделювання роботи імпульсних генераторів потужного НВЧ випромінювання на основі магнетронів на просторових гармоніках з холодним катодом, в яких використовуються транзисторні та лампові модулятори. Для розв’язання цієї задачі були запропоновані наступні моделі елементів схеми генератора. Магнетрон був представлений як з’єднані у паралель ємність, що є конструктивною ємністю між виводами катода та анода, та нелінійний опір з квазістатичною вольтамперною характеристикою, що наведена на рис. 1, де пунктирною лініями відзначені зони, в яких струм через магнетрон зумовлений лише током допоміжного катоду, безперервними – зони збудження струму вторинної емісії, штрихуванням – зона, де спостерігається пробій магнетрону. У моделі також взята до уваги можлива залежність збудження струму вторинної емісії від величини швидкості зміни напруги на фронті імпульсу модуляції магнетрона та її знаку.

На рис. 2 наведена модель польового транзистора з ізольованим заслоном, що використовується для моделювання процесів в генераторі. Найбільші труднощі становить вибір належної апроксимації для опису вольтфарадних характеристик нелінійних ємнісних елементів такої схеми. З'ясувалося, що запропоновані раніше методи дають занадто велику похибку при моделюванні параметрів потужних високовольтних польових транзисторів, особливо при малих значеннях напруги на їх електродах, що є характерним для імпульсного режиму роботи. Тому був запропонований наступний набір функцій для опису вольтфарадних характеристик прохідної та суми прохідної та вихідної ємностей таких транзисторів у всьому можливому діапазоні зміни напруги на електродах транзистора:

(1)

де - відповідна ємність, , , , , , - константи, що характеризують конкретний прилад, - поліном дев’ятого порядку. Високий порядок поліному в (1) зумовлюється різкою зміною ємностей транзистора при малих значеннях напруги між електродами транзистора та необхідністю забезпечити безперервність не тільки самої апроксимуючої функції, але також і її похідної. На рис. 3 показана виміряна та апроксимована вольтфарадна характеристика суми прохідної та вихідної ємностей транзистора IXFH10N90. Видно, що похибка апроксимації не перебільшує 5%. Для верифікації моделі транзистора була побудована спеціальна тестова схема, в якій умови роботи транзистора були максимально наближені до тих, що є у магнетронному модуляторі. На рис. 4, а, б наведені експеримен-

а) б)

Рис. 4. Експериментальні () та розрахункові (---------) залежності напруги на заслоні транзистора (а) і струму транзистора (б).

тальні та розрахункові форми імпульсу напруги заслін-витік та струму через транзистор. З цих рисунків витікає в цілому задовільна відповідність моделі реальній дії транзистора, тим більше, що необхідні для побудови такої моделі дані не вимірювались для конкретного екземпляра транзистора, а були взяті із документації, що надається фірмою-виробником.

На основі описаних моделей було досліджено роботу імпульсного магнетронного генератора. Виявлені в рамках моделі режими роботи магнетрона, які ілюструються графіками на рис. 5, цілком збігаються з тими, які спостерігаються на практиці й можуть бути розбиті на дві групи – нормальний режим і режими зі зривом струму. У нормальному режимі роботи форма імпульсу струму через магнетрон близька до прямокутної. Режим зі зривом

Рис.5. Форма сумарного струму через магнетрон (———) та електронного струму магнетрона (---------) у різних режимах роботи.

струму зумовлений припиненням струму вторинної емісії посередині імпульсу напруги на магнетроні й відповідним зривом генерації. У цьому випадку, залежно від параметрів зовнішніх кіл, можливе існування коливань струму через магнетрон впродовж всій тривалості імпульсу, або на її частині. Фізичною причиною виникнення коливань є наявність на вольтамперній характеристиці магнетрона ділянки з від’ємним диференційним опором.

Було також досліджено роботу генератора при існуванні залежності збудження струму вторинної емісії від швидкості наростання напруги на магнетроні. У випадку, якщо цей струм виникає на спаді імпульсу моделюючої напруги, імпульс струму магнетрона має характерний провал (див. рис. 6), який викликаний перерозподілом струму при збудженні вторинної емісії в магнетроні. Така форма неодноразово спостерігалася в експериментах, спрямованих зокрема на дослідження запуску магнетронів на спаді імпульсу напруги, що підтверджує в цілому правильність запропонованої моделі.

Розглядалась також робота імпульсного магнетронного генератора з ламповим модулятором. Отримані результати дозволили зробити порівняльний аналіз транзисторного та лампового модуляторів та виробити рекомендації щодо їх найбільш ефективного використання. Зокрема було показано, що спостережувана в експерименті менша тривалість заднього фронту імпульса струму магнетрона у разі використання транзисторного модулятора, пояснюється сильною нелінійностю вихідної ємності транзистора, незважаючи на значно більшу загальну вихідну ємність транзисторного високовольтного ключа у порівнянні з ламповим.

Далі у цьому розділі описано вплив паразитних елементів корпусу транзистора на його роботу в схемах модуляторів та зроблено висновок про необхідність їх урахування при дослідженні нестаціонарних процесів в генераторах, таких як зрив струму та електричний пробій у магнетроні. При вивченні останнього з’ясувалось, що найбільшу загрозу роботі транзистора у цьому режимі представляє значна величина швидкості зростання напруги між його витоком та стоком, що може перевищити максимально припустиму. Проведено аналіз можливих заходів щодо підвищення надійності роботи генератора у такому режимі.

У третьому розділі дисертаційної роботи розглядаються питання мінімізації спотворень вихідного імпульсу генератора, отримання коротких ім-пульсів та досліджується робота генератора потужних субнаносекундних імпульсів з метою покращення його ККД та підвищення максимальної частоти повторення вихідних імпульсів.

Навіть у нормальному режимі роботи магнетрона спотворення форми імпульсу можуть сягати помітних величин, (див. рис. 5.) Причиною таких спотворень є паразитні параметри схеми генератора та сильна нелінійність ВАХ магнетрона. Вони не тільки приводять до розширення спектра випромінюваних коливань, але й можуть бути причиною несталої роботи генератора й змушують вибирати робочу точку магнетрона подальше від режиму максимальної потужності, що знаходиться звичайно поблизу точки зриву струму. Були проведені дослідження різних способів корекції форми вершини вихідного імпульсу генератора, серед яких були обмеження швидкості переключення транзисторів і включення послідовно з магнетроном нелінійних елементів - індуктивності, що насичується, і джерела струму на польовому транзисторі. Найкращі результати досягнуті в останньому випадку за умови введення в схему генератора додаткових коригуючих елементів. Форма імпульсу у цьому разі досить близька до ідеальної, як показано на рис. 7.

Також досліджено можливість отримання коротких імпульсів НВЧ випромінювання. З’ясувалось, що генератори з транзисторним модулятором дозволяють отримати імпульси з мінімальною тривалістю до 25-30 нс без значного ускладнення схеми, а з ламповим – 10 нс. За результатами моделювання запропоновано рекомендації щодо поліпшення роботи генератора у такому режимі. Зокрема, для забезпечення максимальної ефективності у транзисторному модуляторі необхідно підвищувати швидкість включення транзисторів, тоді як для лампового – зменшувати швидкість її виключення.

Далі, розвинутий апарат моделювання імпульсних пристроїв, побудованих на основі потужних польових транзисторів, було застосовано до моделювання процесів у генераторі субнаносекундних імпульсів на основі діодів з різким відновленням зворотного опору, а також оптимізації його параметрів. Як відомо, у генераторах такого типу до діоду треба послідовно прикласти імпульси прямої та зворотної напруги. В приладі, робота якого досліджувалась, імпульс прямої напруги формується за допомогою транзистора, а зворотної - котушки індуктивності, що насичується, У результаті аналізу з'ясувалося, що при використанні заданої елементної бази існує оптимальний набір параметрів схеми генератора, таких як напруга живлення, конструктивні параметри трансформатора, ємності конденсаторів тощо, які дозволяють отримати максимальний ККД при збереженні високих параметрів вихідних імпульсів. Отримано результати, а саме частота повторення імпульсів 10 кГц при амплітуді 2.2 кВ і тривалості 0.7 нс (навантаження 50 Ом), що перевершують параметри схем, описаних раніше в літературі та роблять такий генератор придатним для широкого кола застосувань.

У четвертому розділі дисертаційної роботи наводиться опис декількох прикладів застосування результатів математичного моделювання роботи імпульсних генераторів при конструюванні передавачів для радіолокаційних систем зондування навколишнього середовища. Зокрема, розроблений генератор з ламповим модулятором використовуються в передавачах цілої низки високонадійних та високоавтоматизованих доплерівських метеорологічних радіолокаторів 8-ми міліметрового діапазону довжин хвиль. Ці передавачі характеризуються максимальною імпульсною й середньою вихідною потужністю відповідно 40 кВт і 80 Вт. Передавачі з модулятором на транзисторах, були використані зокрема у двохчастотному бортовому радіолокаційному комплексі. На час створення, цей радіолокатор був першим інструментом такого роду, що працює одночасно на двох частотах міліметрового діапазону довжин хвиль. Він дозволяє проводити картографування місцевості з високою розрізняльною здатністю, так само як і впевнено визначати забруднення водяної поверхні продуктами переробки нафти і має можливість встановлення на легкомоторних літальних апаратах. Форма огинаючої радіочастотного імпульсу передавачів показана на рис.8. Високий ступінь когерентності цих

а) б)

Рис. 8. Огинаюча вихідного надвисокочастотного імпульсу магнетронного передавача з ламповим (а) і транзисторним (б) модулятором.

систем, що зумовлений високою якістю вихідного імпульсу передавача дозволяє впевнено вимірювати параметри гідрометеорів для висот, що перевищують 10 км (див. рис. 9). Вони демонструють високу надійність - до 10000 годин на відмову. Час наробітку між вимиканнями може досягати декілька тисяч годин. Зазначимо, мова йде не про катастрофічні відмови передавача, а про випадки виходу значень контрольованих

параметрів за встановлені межі. У більшості таких випадків, автоматичний запуск дозволяє відновити його працездатність менш ніж за 30 секунд. Передавачі мають автоматичну систему регулювання потужності розжарення катоду магнетрона, що підтримує її на мінімально можливому рівні при збереженні високої стабільності вихідних імпульсів. В них запроваджена оригінальна високоточна система виміру параметрів робочого режиму магнетрона. Завдяки одночасному моніторингу і збереженню параметрів роботи магнетрона, такі передавачі можуть служити зручним стендом для проведення тривалих випробувань магнетронів. Один з метеорологічних локаторів використовується Німецькою службою погоди (DWD) для постійного моніторингу стану атмосфери, ще один - Національним космічним агентством США (NASA) для вивчення процесів льодоутворення в атмосфері.

Висновки

У дисертації розв'язане наукове завдання по створенню методів математичного моделювання імпульсних генераторів на основі магнетронів з холодним вторинно-емісійним катодом і генераторів потужних субнаносекундних імпульсів, а також використанню отриманих результатів для покращення параметрів передавачів, призначених для експлуатації у складі радіолокаційних систем дистанційного зондування навколишнього середовища з високою розрізняльною здатністю. Для досягнення кінцевого результату, шляхом сумісного використання теоретичних та експериментальних методів дослідження, були розв'язані наступні науково-практичні задачі:

- Вперше побудовано аналітичну модель імпульсного генератора, заснованого на використанні магнетронів з холодним катодом і високовольтним транзисторним чи ламповим ключем, яка придатна для визначення та оптимізації параметрів перехідних процесів у такому генераторі. Запропоновано феноменологічну модель магнетрона, яка заснована на аналізі його поведінки у схемах модуляторів і дозволяє врахувати при розрахунках такі особливості фізичних процесів у ньому як існування кількох видів коливань, залежність збудження струму вторинної емісії від швидкості та знаку змінення модуляційної напруги, зрив струму вторинної емісії та можливість електричного пробою.

- Розвинуто техніку моделювання пристроїв, побудованих на основі високовольтних польових транзисторів, яка застосована для оптимізації параметрів електричних кіл генераторів потужних (до 100 кВт) субнаносекундних імпульсів, що дозволило підвищити максимальну частоту повторення їх вихідних імпульсів до кількох десятків кілогерц.

- Доведено ефективність застосування магнетронів з холодним катодом у доплерівських радіолокаторах міліметрового діапазону довжин хвиль. Отримано параметри радіолокаторів, в яких використані такі магнетрони, а саме, рівень еквівалентних широкосмугових фазових шумів (-60 дБ/Гц) на відстанях до 9 км і розрізнення у частотній області (10 Гц), що наближаються до показників істинно когерентних систем.

- Створено потужні універсальні імпульсні генератори міліметрового діапазону довжин хвиль, що характеризуються високою якістю вихідного імпульсу: час встановлення стаціонарної частоти генерації с точністю 2·10-5 – < 25 нс; змінення фази впродовж плоскої частини імпульсу - < 15?, стабільність частоти від імпульсу к імпульсу – < 3·10-8.

- Створені генератори успішно застосовано у радіолокаційних системах, які використовуються для моніторингу стану навколишнього середовища, вивчення фізики процесів у граничних шарах атмосфери і виявлення забруднення малих водойм продуктами переробки нафти.

- На основі розроблених генераторів створено устаткування для проведення досліджень параметрів магнетронів в умовах довготривалої роботи.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Jenett M., Naumenko V., Schьnemann K., Vavriv D., and Volkov V. 2 kV generator for subnanosecond pulses // Electronics Letters. – 1997. – Vol.33, №11. – P. 918-919.

2. Волков В.А., Вязьмитинова А.И. Моделирование работы транзисторного ключа, нагруженного на магнетрон с холодным вторично-эмиссионным катодом // Радиофизика и радиоастрономия. – 2000. – Т.5, №1. – С. 67-73.

3. Волков В.А., Вязьмитинова А.И. Оптимизация работы магнетронного передатчика с твердотельным модулятором // Радиофизика и радиоастрономия. –1999. – Т.4, №.4 – С. 361-368.

4. Schnemann K., Trush B., Vavriv D., Volkov V. Millimeter Wave Transmitters on the Basis of Spatial-harmonic Magnetrons with Cold Secondary-emission Cathode for Coherent Radar Systems // Radio Physics and Radio Astronomy. – 1999. – Vol.4, №.4 – С. 357-360.

5. D. M. Vavriv, V. A. Volkov, V. N. Bormotov, V. V. Vynogradov, R. V. Kozhyn, B. V. Trush, A. A. Belikov, and V. Ye. Semenyuta Millimeter-wave radars for environmental studies // Radio Physics and Radio Astronomy. – 2002, Vol. 7, №2. – P. 121– 138.

Результати дисертації додатково висвітлено в таких працях:

1. Naumenko V.D., Schьnemann K., Semenuta V. Ye., Vavriv D.M., Volkov V.A. MM-wave transmitters using magnetrons with cold secondary-emission cathode // Proceedings of MSMW’98 . –Kharkov, (Ukraine). – 1998. – P.76 – 81.

2. Jenet M., Kazantsev V., Kurekin A., Schьnemann K., Vavriv D., Vinogradov V., Volkov V. Dual 94 and 36 GHz Radar System for Remote Sensing Applications. // In Proceedings of IGARSS’99 Hamburg, (Germany). – 1999.

3. Naumenko V.D., Schьnemann K., Semenuta V. Ye., Vavriv D.M., Volkov V.A. Transmitters based on magnetrons with cold secondary-emission cathode // Proceedings of the 22-nd Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, USA. – 1997. – P. 42-43.

4. Schьnemann K., Trush B., Vavriv D., and Volkov V. Millimeter wave transmitters on the basis of spatial-harmonic magnetrons with cold secondary-emission cathode for coherent radar systems // Proceedings of The 30th European Microwave Conf (EuMC), Vol. II – Paris, (France). – 2000. – P. 82-84.

5. Bormotov V., Peters G., Schьnemann K., Vavriv D., Vinogradov V., Volkov V. 36 GHz Doppler radar for remote sensing of the atmosphere // Proc. of Millennium Conf. on Antennas and Propagation. – Davos, (Switzerland). – 2000. – P.319.

6. Belikov, R. Kozhin, K. Schьnemann, B. Trush, D. Vavriv, and V. Volkov: 95 GHz, 2 kW magnetron transmitter of 20 ns pulses // Proceedings of German Radar Symposium. –Bonn, (Germany). –2002. – P. 571-574.

7. Belikov A., Kozhyn R., Trush B., Vavriv D., Volkov V. Magnetron transmitters for high-resolution radars//. –Radio Physics and Radio Astronomy. – 2002. – Vol. 7, №4. – P. 413 -414.

8. Vavriv D., Volkov V., Vinogradov V., Kozhyn R., and Schьnemann K. 95 GHz Doppler polarimetric cloud radar based on a magnetron transmitter // Proceedings of 32nd Microwave European Conference. Vol.1– Milan (Italy). –September 23-27, 2002. – P. 665 -668.

9. Vavriv D.M., Vynogradov V.V., Volkov V.A., Kozhyn R.V., Bezvesilniy O.O., Alekseenkov S.V., Shevchenko A.V., and Vasilevskiy M.P. An Airborne SAR With Indication Of Moving Targets. – Proceedings of Symposium the Fifth International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves. Vol.1– Kharkov, (Ukraine). –2004. – P. 115-119.

Анотація

Волков В.А. Імпульсні генератори для радіолокаторів дистанційного зондування навколишнього середовища. – Рукопис.

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

Дисертація присвячена дослідженню імпульсних генераторів на основі магнетронів з холодним катодом, а також систематизації досвіду їхнього застосування в складі радіолокаційних систем для дистанційного зондування навколишнього середовища. Запропоновано феноменологічну модель магнетрона і використано новий підхід для апроксимації вольтфарадних характеристик високовольтних польових транзисторів. Результати моделювання були використані при конструюванні передавачів для двохчастотного бортового локатора бічного огляду і серії доплерівських метеорологічних радіолокаторів. Розвинена техніка моделювання імпульсних пристроїв була застосована також для покращення параметрів генератора потужних субнаносекундних імпульсів на основі діодів різким відновленням зворотного опору.

Ключові слова: імпульсні генератори, магнетрони, моделювання електричних кіл, доплерівські радіолокатори, наносекундні імпульси.

АННОтация

Волков В.А. Импульсные генераторы для радиолокаторов дистанционного зондирования окружающей среды. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем. - Харьковский Национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2005.

В представленной работе изложены результаты исследований по созданию математической модели импульсных генераторов на основе магнетронов на пространственных гармониках с холодным вторично-эмиссионным катодом, а также систематизирован опыт их применения в составе радиолокационных систем для дистанционного зондирования окружающей среды.

В диссертации предложены математические модели входящих в состав генератора элементов. Впервые разработанная феноменологическая модель магнетрона, как элемента электрической схемы, получена из анализа поведения магнетрона в реальной схеме модулятора и из его экспериментально измеренной вольтамперной характеристики. Для модели полевого транзистора была предложена новая аппроксимация вольтфарадных характеристик нелинейных емкостей схемы его замещения, обеспечивающая высокую точность и устойчивость решений. Она применима для широкой номенклатуры устройств, относящихся к классу мощных высоковольтных полевых транзисторов с изолированным затвором. Была проведена экспериментальная проверка такой модели, продемонстрировавшая ее применимость для анализа импульсных схем в широком диапазоне изменения напряжения на электродах транзистора.

Проведенный анализ работы генераторов и сравнение полученных данных с экспериментальными результатами показал адекватность построенной модели и позволил сделать вывод о применимости полученных в ее рамках результатов для оптимизации параметров передатчиков радиолокационных систем, в особенности при повышенных требованиях к их разрешающей способности и надежности.

Развитая техника моделирования импульсных устройств была также применена для анализа работы генератора мощных субнаносекундных импульсов. Проведенные моделирование и оптимизация позволили сконструировать прибор, параметры которого значительно превосходят параметры устройств, описанных ранее.

В диссертации также обобщен опыт создания импульсных магнетронных передатчиков как с твердотельными, так и с ламповыми модуляторами для радиолокационных систем дистанционного зондирования окружающей среды миллиметрового диапазона длин волн. В частности, созданные передатчики применены при разработке двухчастотного бортового локатора бокового обзора и серии допплеровских метеорологических радиолокаторов. Доказана эффективность применения магнетронов на пространственных гармониках с холодным катодом в доплеровских локаторах миллиметрового диапазона длин волн, предназначенных для долговременной эксплуатации в непрерывном режиме работы. Созданные системы являются универсальными многофункциональными инструментами для изучения окружающей среды и по совокупности параметров находятся на уровне лучших мировых образцов.

Ключевые слова: импульсные генераторы, магнетроны, моделирование электрических цепей, допплеровские радиолокаторы, наносекундные импульсы.

SUMMARY

V. A. Volkov, Pulse sources for radars for remote sensing applications.-Manuscript.

Thesis submitted for candidate’s degree by specialty 01.04.01 – physics of devices, elements, and systems. – V.N. Karazin Kharkov National University, Kharkov, 2005.

The paper describes the results of simulating transient and stationary processes in pulsed microwave sources relied on the spatial-harmonic magnetrons with cold cathode as well as the experience of their application as transmitters for the radars designed for remote sensing applications. A phenomenological model of the magnetron has been developed, and a new approach for approximating the capacitance vs. voltage dependencies of powerful high voltage MOSFETs has been proposed. The simulation results have been utilized during the development of the transmitters for a double-frequency side looking airborne radar and a range of Doppler meteorological radars. The developed simulation technique has been used also for investigating the processes in a sub-nanosecond pulse oscillator, resulting in a considerable increase in its pulse repletion rate.

Key words: pulse oscillators, magnetrons, circuit simulation, Doppler radar, nanosecond pulses.

Наукове видання

Волков Вадим Анатолійович

ІМПУЛЬСНІ ГЕНЕРАТОРИ ДЛЯ РАДІОЛОКАТОРІВ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА

____________________________________________

Підп.до друку 15.09.2005. Формат 60Ч84 1/16

Пап.офс. Трафаретна. печ. Ум.-печ.арк.1,06.

Тираж 100 прим. Зам. 16. Без ціни.

____________________________________________

Різограф НВП “Інфотех-Сервис”

61003, м. Харков, пр. Московський, 10/12