Харківський національний університет радіоелектроніки

Камал Басраві Махмуд Аліє

УДК 621.385.6.029.6

ВПЛИВ ТЕПЛОВИХ ПРОЦЕСІВ НА СТАБІЛЬНІСТЬ

ЧАСТОТИ КОЛИВАНЬ У БАГАТОРЕЗОНАТОРНИХ

МАГНЕТРОННИХ АВТОГЕНЕРАТОРАХ

Спеціальність 01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному університеті
радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Чурюмов Геннадій Іванович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки

Міністерства освіти і науки України

професор кафедри фізичних основ

електронної техніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, доцент

Старостенко Володимир Вікторович,

Таврійський національний університет

ім. В.І. Вернадського

Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри радіофізики;

доктор фізико-математичних наук, професор

Воробйов Геннадій Савелійович,

Сумський державний університет,

декан фізико-технічного факультету.

Захист дисертації відбудеться “15“ січня 2008 р. об 15-й годині на
засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.04 Харківського
національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14, ауд. 13.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського
національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

Автореферат розіслано “ 05 ” грудня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Б.Г. Бородін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Магнетронні автогенератори належать до джерел НВЧ випромінювання, постійний інтерес до яких не слабшає впродовж багатьох років завдяки їх широкому застосуванню у різних радіоелектронних системах (РЕС) (оглядові, доплерівські і метео-РЛС і т. ін.), а також у системах зв'язку і апаратурі для проведення наукових досліджень у хімії, фізиці, біології, медицині, харчовому виробництві і побутовій сфері (НВЧ нагрівання). Підвищені вимоги, що висуваються до сучасних РЕС і зростання конкуренції між різними джерелами електромагнітних коливань (наприклад, приладами О і М типів) вимагає від розробників магнетронних генераторів створення нових приладів з поліпшеними вихідними параметрами. В першу чергу це стосується поліпшення частотних характеристик, включаючи підвищення частоти генерації до 100 ГГц і вище, її стабільності, зниження електронного зсуву частоти, затягування частоти і температурного коефіцієнта частоти, розширення діапазону і швидкості перебудови частоти, поліпшення якості спектра вихідного сигналу (знижені рівні шумів, побічних і паразитних коливань).

Вирішення цих й інших завдань вимагає проведення комплексу теоретичних і експериментальних досліджень, направлених на подальше вивчення і розуміння особливостей нелінійного механізму взаємодії замкнутого електронного потоку з ВЧ полем резонансною кільцевою уповільнюючою системою. Ґрунтуючись на результатах фундаментальних досліджень, отриманих у “харківській” і “саратовській” школах математичного моделювання приладів магнетронного типу, а також окремими авторами, необхідно розвивати нові підходи і методи розрахунку електродинамічних характеристик резонансних кільцевих уповільнюючих систем, дослідженні впливу емісійних характеристик катодів різних типів (зокрема безнакальних вторино-емісійних автокатодів) на електронний механізм взаємодії, використання нових матеріалів і вдосконалення технології застосування різних видів електронної емісії, включаючи комбінацію таких видів.

Все вищесказане свідчить про актуальність питань створення нових джерел електромагнітних коливань (магнетронів) з поліпшеними частотними характеристиками і подальшого їхнього застосування в РЕС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в науково-дослідній лабораторії „Електроніка-Оріон” кафедри фізичних основ електронної техніки Харківського національного університету радіоелектроніки. Тематика роботи відповідає науковим програмам Міністерства освіти і науки України з фундаментальних досліджень. Проведені дослідження є складовою частиною держбюджетної науково-дослідної роботи “Дослідження частотно-потужнісних та часових факторів електромагнітного поля на фізичні, фізико-хімічні та біологічні властивості середовищ та об’єктів” (номер державної реєстрації № 0106U003174, 2006 р.).

Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є встановлення фізичних закономірностей впливу теплових процесів на частотні характеристики (девіацію частоти) магнетронних автогенераторів в умовах постійної зміни емісійної активності катода, розвиток методології математичного моделювання фізичних процесів нелінійної взаємодії в магнетронних автогенераторах з урахуванням впливу процесів теплообміну, а також вироблення на цій основі практичних рекомендацій з реалізації нових модифікацій катодів для магнетронів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі наукові завдання:

1. Провести аналіз частотних властивостей магнетронних автогенераторів, включаючи особливості нелінійного механізму електронно-хвильової взаємодії з урахуванням впливу процесів теплообміну.

2. Розробити математичну модель процесу теплообміну в системі “катод-анод” магнетронного автогенератора.

3. Розробити двовимірну багатоперіодну математичну модель магнетронного автогенератора з урахуванням впливу теплових процесів на катоді і аноді.

4. Розробити метод експериментального визначення електродинамічних параметрів (холодної резонансної частоти, власної і навантаженої добротностей кільцевої резонансної анодної системи, а також її еквівалентної місткості) для використання їх як вхідні параметри математичної моделі магнетрона.

5. Провести дослідження особливостей фазового угруповання замкнутого електронного потоку в умовах дії термо- і вторинної електронних емісій з урахуванням і в наближенні відсутності поля просторового заряду (ПЗ). Оцінити дію радіальної і азимутної компонент поля ПЗ на частотні властивості магнетрона.

6. Провести дослідження робочих (вольтамперної характеристики (ВАХ)) і частотних (девіації частоти) характеристик безперервного магнетронного автогенератора.

7. Досліджувати впливи температурного режиму роботи катода на частотні характеристики (девіацію частоти) магнетрона.

Об'єкт дослідження: процес взаємодії замкнутого електронного потоку з електромагнітним полем кільцевої анодної резонансної системи з урахуванням теплових втрат на катоді і аноді.

Предмет дослідження: безперервний магнетронний автогенератор і самоузгоджена математична модель магнетрона, що враховує теплові процеси на катоді і аноді.

Методи дослідження. Для розв’язання поставлених у дисертаційній роботі задач були використані теоретичні (мікроскопічна теорія електромагнітного поля, метод крупних частинок, метод Хокні із застосуванням швидкого перетворення Фур’є для розрахунку сил ПЗ, стандартні методи чисельного розв’язання систем звичайних диференціальних рівнянь і т. д.) та експериментальні (класичні методи вимірювання амплітудних і частотних характеристик НВЧ приладів, стандартна повірена апаратура, що забезпечує достовірність отриманих результатів) методи.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше розроблено двовимірну багатоперіодну математичну модель магнетронного автогенератора з урахуванням впливу теплових втрат на катоді та аноді (випадок одновидового і одночастотного наближень), а також аналітичну теплову модель системи “катод-анод” магнетронного автогенератора для її застосування у складі двовимірної багатоперіодної математичної моделі магнетрона.

2. Вперше проведено математичне моделювання нелінійної взаємодії замкнутого електронного потоку з ВЧ полем уповільнюючої резонансної системи в магнетронному автогенераторі методом крупних частинок з урахуванням впливу процесів теплообміну на катоді, а також дістали подальший розвиток питання впливу теплових процесів на катоді (додатковий розігрів катода вторинними електронами) на частотні характеристики (девіацію частоти) безперервного магнетрона в умовах дії термо- і вторинної електронних емісій.

3. Удосконалено метод експериментального визначення електродинамічних параметрів (власної, навантаженої і зовнішньої добротностей, а також еквівалентної місткості) анодних блоків магнетронних автогенераторів для їх застосування в якості вхідних параметрів двовимірної багатоперіодної математичної моделі магнетрона.

4. Дістало подальшого розвитку вивчення процесу фазового угруповання електронного потоку і вплив на нього різних збурювальних чинників, зокрема, відсутність і наявність азимутної та радіальної складових сил ПЗ і дії термо- та вторинної електронних емісій.

Практичне значення результатів роботі:

1. Отримані теоретичні результати математичного моделювання нелінійної взаємодії замкнутого електронного потоку з ВЧ полем резонансної кільцевої електродинамічної структури з урахуванням тепла, що виділяється на електродах ламп (катоді і аноді), дозволяють прояснити особливості фізики роботи безперервного магнетронного автогенератора та можуть бути використані для удосконалення існуючих конструкцій магнетронів (наприклад, модернізація і заміна термоемісійних катодів на автокатоди) та використання магнетронів як задаючих генераторів різних РЕС;

2. На основі отриманих теоретичних і експериментальних результатів, які пов’язані з додатковим підігрівом катоду вторинними електронами, зроблено висновок про наявність додаткового дестабілізуючого чинника флуктуації частоти в магнетронах, дістали подальший розвиток схемні та конструктивні рішення магнетронних автогенераторів і окремих їх вузлів (катодів), що складають проектну основу для створення нових приладів (магнетронів) з поліпшеними характеристиками і можливого їхнього впровадження у виробництво на підприємствах електронної промисловості України (ПО „Генератор”, НДІ Оріон);

3. Результати теоретичних і експериментальних досліджень знайшли застосування у навчальному процесі Харківського національного університету радіоелектроніки під час проведення практичних і лабораторних занять за дисциплінами „Техніка і прилади НВЧ” та „Електроніка і електронні ланцюги НВЧ” для студентів різних спеціальностей радіоелектронного профілю.

Особистий внесок здобувача. Всі результати отримано автором особисто. У роботах, виконаних у співавторстві, внесок дисертанта полягає в його безпосередній участі в розробці методів дослідження, математичних моделей магнетронів, виборі методів вимірювань, створенні, настроюванні і проведенні робіт на вимірювальних установках, а також в аналізі отриманих теоретичних і експериментальних результатів, їх фізичному поясненні, написанні статей і доповідей на конференціях. Особисто дисертанту належать такі наукові результати:

– у роботах [1, 2, 4] дисертант провів детальний аналіз літературних джерел, отримав основні теоретичні результати, пов'язані з побудовою математичної моделі магнетрона і аналітичної теплової моделі системи “катод – анод”, провів вибір чисельних методів і аналіз точності їх розв’язання;

– у роботах [3, 4, 7, 9, 10] проведено експериментальні дослідження електродинамічних параметрів резонансних анодних блоків магнетронів, а також досліджено вплив умов емісії з катода на девіацію частоти магнетрона;

– у роботах [5, 6, 8, 12] автор на основі моделювання процесів у магнетронах розглянув можливі області застосування магнетронів з поліпшеними параметрами.

Апробація результатів дисертації. Отримані результати досліджень доповідалися і обговорювалися на: 2006 IEEE International Vacuum Electronics Conference (held jointly with 2006 IEEE International Vacuum Electron Sources) IVEC/IVESC 2006 (April 25-27, 2006, Monterey, California, USA), International Radar Symposium IRS 2006 (24-26 May 2006 Krakov, Poland), 16-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” КрыМиКо 2006 (9-12 сентября, 2006, Севастополь, Украина),
1-й Международной научной коференции “Глобальные информационные системы. Проблемы и тенденции развития”, (2-6 октября 2006, Туапсе, Россия), VI-й Харьковская конференция молодых ученых “Радиофизика и электроника”, (13-14 декабря 2006, Харьков, Украина), 11-м Международном молодежном форуме "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке" (Харьков, 2007), 17-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” КрыМиКо 2007 (10-14 сентября, 2007, Севастополь, Украина).

Публікації. За матеріалами роботи опубліковано 12 наукових праць, з них 4 статті в наукових журналах, включених у список ВАК України, 8 доповідях у працях і збірниках міжнародних і національних наукових конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота містить вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел і 3 додатки. Об'єм дисертації складає 157 сторінок машинописного тексту, зокрема 42 рисунки і 3 таблиці. Список використаних джерел містить 198 найменувань на 19 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вирішення науково-прикладної задачі поліпшення частотних характеристик (зменшення девіації частоти) магнетронних автогенераторів. Визначено об'єкт і предмет досліджень, сформульовано мету й завдання досліджень, визначено наукову новизну й практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про публікації, апробацію й особистий внесок здобувача.

У першому розділі розглянуто загальні питання електроніки магнетронних автогенераторів, проаналізовано умови їх збудження, необхідну і достатню умову такого збудження. Проведено аналіз частотних властивостей магнетронних автогенераторів. Визначено можливі напрями досліджень і показано важливість поліпшення частотних властивостей магнетронних автогенераторів для розширення їх практичного застосування в різних областях науки і техніці. Показано, що однією з причин зниження уваги до магнетронних автогенераторів є порівняно низька стабільність частоти їх генерації (порядку ). До основних дестабілізуючих чинників в магнетронних автогенераторах відносяться: зміна (флюктуації) живлячої напруги (анодної напруги) і величини індукції магнітного поля ; зміна вхідного активного і реактивного опорів хвилеводу, навантаження, або фідера; зміна температури анодного блоку магнетрона .

Розглянуто різні шляхи підвищення стабілізації частоти в магнетронних автогенераторах, включаючи підходи і методи, засновані на застосуванні стабілізуючих високодобротних зовнішніх резонаторах (обернуті, коаксіальні і обернено-коаксіальні магнетрони), а також різних відстежувальних систем, у яких частота генерації магнетрона порівнюється з частотою опорного генератора (фазове автоматичне підстроювання частоти (ФАПЧ)).

Подано докладний аналіз впливу температурного режиму роботи магнетронів (зокрема, вплив зміни температури зовнішньої поверхні анодного блоку) на частоту генерації. Водночас показано, що недостатньо уваги в літературі приділяється питанням впливу флуктуацій емісії з катода на стабільність частоти генерації коливань у магнетронах.

Серед існуючих теоретичних підходів до дослідження фізичних процесів у магнетронних автогенераторах розглянуто різні методи математичного моделювання, зокрема аналітичні: метод еквівалентних схем і різні варіанти методів заданого поля і струму, та чисельні (метод крупних частинок (Particle-in-Cell (PIC) Method)). При цьому описується методологія чисельного підходу, заснована на застосуванні принципу суперпозиції і розкладанні електричного поля на вихрову і потенційну складові, а також застосуванні підходу, що поєднує метод кінцевих різниць (Finite Different Time Domain (FDTD) Method) і метод крупних частинок.

Розглянуто перспективи застосування магнетронних автогенераторів у РЕС широкого призначення. Проведено аналіз можливих напрямів досліджень магнетронних автогенераторів, направлених на поліпшення їх вихідних параметрів. Наведено можливі перспективні схеми побудови конструкцій магнетронів.

Другий розділ дисертації присвячений математичному моделюванню процесів нелінійної взаємодії у магнетронних автогенераторах з урахуванням процесів теплообміну між катодом і анодом. Розглянуто основні рівняння
2-D багатоперіодної математичної моделі магнетрона, включаючи систему рівнянь руху, рівняння Пуассона для розрахунку складових поля просторового заряду (ПЗ) і рівняння збудження.

Система рівнянь руху записується у рухомій системі координат , що обертається відносно нерухомої (лабораторної) системи координат з кутовою швидкістю синхронного ВЧ поля .

Для визначення складових напруг поля ПЗ застосовується беззіштовхувальна модель “частинка в осередку” (Particle-in-Cell (PIC) Model). Потенціал поля ПЗ визначається із розв’язку задачі Діріхле для рівняння Пуассона з урахуванням квазіперіодичного наближення. Використовуючи кінцево-різницеву апроксимацію, рівняння Пуассона замінюється системою кінцево-pізнецевиx рівнянь, що поєднують потенціали і заряди, віднесені до вузлів лагранжевої сітки розбиття . З метою зменшення аномального впливу "машинних" шумів, обумовлених просторовою дискретизацією простору взаємодії і електронного потоку застосовується локальне згладжування дискретної функції розподілу потенціалу , де і – цілочисельні індекси вузлів, відповідні центру елементарного осередка зі сторонами і .

Система рівнянь збудження ВЧ поля записується з урахуванням загальної теорії збудження добротних коливальних систем електронним потоком, запропонованою Л.А. Вайнштейном. Розв’язання даної системи рівнянь дозволяє визначити амплітуду і фазу (частоту) “гарячого” ВЧ поля у різних режимах роботи магнетронного автогенератора, а також можливість (або умови) формування вузькополосного сигналу з амплітудною та частотною (або фазовою) модуляцією в смузі пропускання резонансної системи.

Для розв’язання самоузгодженої системи рівнянь руху, Пуассона і збудження визначаються початкові умови, що характеризують стан ВЧ поля і електронного потоку в просторі взаємодії. Передбачається, що в початковий момент часу t = 0 під дією статичних електричного і магнітного полів електронний потік формується у вигляді втулки ПЗ у прикатодній області і , де - висота втулки ПЗ. Надалі при вводяться початкові умови для емісії термо- і вторинних електронів.

Для моделювання процесу повторно-емісійного розмноження застосовується модель вторинної емісії. Особливістю застосовуваної моделі вторинної емісії є використання експериментальних залежностей коефіцієнта вторинної емісії від енергії падаючих частинок для різних типів катодів: термоемісійних оксидних катодів, для яких така аналітична залежність має вигляд

, (1)

де - максимальний коефіцієнт вторинної емісії; - енергія удару, що відповідає , а також повторно-емісійних катодів з “підпалом” (сплави або ) і холодних металевих ( або ) автоемісійних катодів.

Запропоновано вдосконалений метод розрахунку енергії бомбардування електронами катода і анода магнетронів. Для обчислення енергії частинки, яка повернулася на катод, використовується вираз

, (2)

де - модуль швидкості частинки в точці ; - потенціал поля ПЗ у найближчому вузлі сітки розбиття . Використання виразу для дозволяє проводити моделювання вильоту на катод малоенергетичних частинок з енергіями вильоту менше 10 еВ без значного збільшення загального часу рахунку.

Підсумовування енергій частинок, що покидають простір взаємодії за рахунок вильоту на катод і анод в моделі магнетрона на кожному кроці інтегрування, дозволяє оцінити сумарну енергію, яка виділяється на катоді і аноді у вигляді тепла:

, (3)

де маса крупної частинки; коефіцієнт укрупнення (); період ВЧ коливань; кількість частинок, що вилітають на катод або анод протягом ВЧ періоду.

Нагрівання катода і анода магнетрона призводить до підвищення температури даних електродів (додаткове розігрівання електродів). Для кількісного визначення динаміки зміни температури катода або анода в різних режимах роботи магнетрона скористаємося лінійним рівнянням теплопровідності:

, (4)

де - коефіцієнт температуропроводності, що характеризує швидкість вирівнювання температури в нерівномірно нагрітому електроді; – щільність матеріалу електроду; С - питома теплоємність; l – коефіцієнт теплопровідності; T - температура; потужність, що виділяється на катоді (завдяки розжаренню і зворотного бомбардування катода електронами) або аноді (завдяки бомбардуванню анода електронами); потужність, що відводиться від катода або анода за рахунок теплопровідності, тепловипромінювання і випаровування матеріалу катода або анода.

Похибка чисельного розв’язання самоузгодженої системи рівнянь руху, Пуассона і збудження (обчислювальна погрішність моделі магнетрона) пов'язана з просторово-часовою дискретизацією, а також з дискретним поданням суцільного електронного потоку у вигляді сукупності крупних частинок із зарядом . Наявність такої похибки може призвести до появи обчислювальної нестійкості розв’язання, що ускладнює аналіз фізичних результатів і їх пояснення. Проведений аналіз обчислювальної похибки моделі показав, що для адекватного опису фізичних процесів в магнетроні відповідно до закону збереження енергії необхідно мінімізувати погрішність обчислень шляхом вибору кроку інтегрування за часом (не більше (2-3) % для частинок, що рухаються в просторі взаємодії і 0.1 % для частинок, що вилітають на катод і анод).

У третьому розділі дисертації розглядається математичне моделювання процесу фазового угруповання в магнетронних автогенераторах і досліджується вплив на процес угруповання електронного потоку подовжніх і/або поперечних сил ПЗ, а також особливостей дії поперечних і подовжніх компонент ВЧ поля (динамічний режим) за наявності термоелектронної і вторинної електронних емісій (термоемісійний катод), початкового термоелектронного запуску (підпалу) і вторинної електронної емісії, а також холодного металевого катода (вторинна електронна емісія). Для дослідження процесу фазового угруповання використовуються розроблена 2-D і 3-D нерелятивістські багатоперіодні математичні моделі магнетрона. Показано, що кулонівські сили розштовхування сприяють покращенню процесу повторно-емісійного розмноження і утворенню режиму обмеження емісії, завдяки процесу “саморегулювання” відбору струму з катода. Встановлено, що дія сил ПЗ погіршує частотні характеристики магнетронів (зростає фазовий розлад між спицею ПЗ і максимумом гальмуючого напівперіоду ВЧ поля з 9,2 град у випадку відсутності поля ПЗ до 32,4 град за його наявності) і практично не впливає на енергетичні характеристики приладів (відносна зміна вихідної потужності не перевищує (0.5–1.5) дБ, а зміна ефективності взаємодії не перевищує (3–4) %.) ((а) - без урахування поля ПЗ; б) - облік подовжньої компоненти поля ПЗ; в) - з урахуванням поля ПЗ, рис. 1).

Розглянуто особливості фазового угруповання в динамічному режимі роботи магнетрона з урахуванням взаємодії замкнутого електронного потоку з ВЧ полем основного (випадок основної просторової гармоніки або -виду) і вищого (випадок -1 просторової гармоніки або -виду) видів коливань. Показано, що ефективність взаємодії електронів з ВЧ полем -виду значно знижується і ккд такої взаємодії не перевищує (10 ... 15) %.

Використання впливу радіальної і азимутної компонент ВЧ поля на процес фазового угруповання показало, що дія радіальної компоненти напруги ВЧ поля зводиться до зміни азимутної швидкості руху електронів і, як наслідок, їх фазового угруповання при 0 з урахуванням наявності “гарячого” фазового зрушення , обумовленого реактивною складовою потужності взаємодії.

Для розуміння закономірності проходження конвекційного струму від катода магнетрона до анода проведений траєкторний аналіз руху електронів, що покидають катод з різними фазами вильоту в умовах наявності термо- і вторинної електронних емісій. Показано, що у разі використання оксидних катодів з непрямим напруженням емісія з катода відбувається зі всієї його поверхні до моменту встановлення режиму обмеження емісії полем ПЗ у прискорюючих областях фаз. У гальмуючих областях фаз вильоту ВЧ поля має місце емісія термоелектронів у режимі насичення щільності струму термоемісії. У разі використання холодних безрозжарених катодів основний струмовідбір походить з прискорюючих областей фаз вильоту за рахунок вторинної електронної емісії. При цьому в гальмуючих областях фаз вильоту відбувається збіднення щільності електронної хмари.

Для перевірки адекватності результатів моделювання розроблено експериментальну установку для вимірювання робочих характеристик магнетронів. Проведено моделювання робочих ВАХ безперервного магнетрона М-857 за допомогою 2-D і 3-D математичних моделей магнетрона. Порівняння теоретичних залежностей з експериментом показало, що розбіжність даних комп'ютерного моделювання з експериментальними даними не перевищує одиниць відсотків. Встановлено, що урахування в 2-D моделі магнетрона теплових процесів дозволяє визначити граничний режим теплового обмеження роботи магнетрона (рис. 2).

У четвертому розділі дисертації проводяться експериментальні дослідження і розрахунок електродинамічних параметрів анодних блоків магнетронів, включаючи резонансні частоти , власну , навантажену і зовнішню добротності, а також еквівалентні місткості коливальної системи на робочому виді і найближчих видах коливань. Окрім цього подано результати досліджень теплових процесів на катоді безперервних магнетронів (додаткове розігрівання катода) і розглядається їхній вплив на частотні характеристики магнетрона. Наведено дані експериментальних досліджень частотних властивостей безперервних магнетронів у різних режимах роботи термоемісійного катода і його емісійної активності.

Рис. 2. ВАХ магнетрона X-діапазону для різних значень індукції
магнітного поля: 1 – 2-D моделі; 2 – 3-D моделі; 3 – експеримент

Розроблено метод експериментального визначення “холодних” електродинамічних параметрів анодних блоків магнетронів і аналогічних параметрів магнетронів у пакетованому (складеному) вигляді дозволяє використовувати їх як початкові дані для розробленої 2-D моделі магнетрона. Вимірювання еквівалентних зосереджених параметрів анодних блоків магнетронів проводиться за допомогою методу двополюсника (метод відбитого сигналу). Результати вимірювань КСХ для безперервного (крива 1) і імпульсного (крива 2) магнетронів у смузі частот 4000 Мгц наведено на рис. 3. Там же наведено експериментальні значення резонансних частот і КСХ для основного робочого виду (-виду) і найближчих та видів коливань. За наслідками проведених вимірювань розраховані значення і для основного виду коливань. Урахування значень даних параметрів у математичній 2-D моделі магнетрона дозволяє коректно моделювати стаціонарний режим роботи магнетрона в одновидовому наближенні, визначаючи процес обміну енергією між електронним потоком і електромагнітним полем.

Рис. 3. Експериментальні резонансні криві магнетронів М-857
(крива 1) і МІ-45 (крива 2) у смузі частот від 8500 до 12500 Мгц

Рис. 4. Схема підключения
магнетронного автогенератора
до джерела живлення

Для дослідження впливу додаткового підігрівання катода на стабільність частоти генерації застосовувалася схема підключення магнетрона, що зображена на рис. 4. Робота магнетрона (М) у безперервному режимі здійснюється від джерела живлення (ИП). Напруга живлення ланцюга розжарення через трансформатор (Тр) і ключ (К) подається на підігрівач катода магнетрона, а постійна анодна напруга негативної полярності , відповідно, на катод. На рис. 5 наведено порівняння теоретичної ВАХ, отриманої за допомогою 2-D моделі, (крива 1 на рис. 5) з експериментальними ВАХ, отриманими для випадків, коли підігрівач катода включений (ключ К замкнутий, крива 3) і коли підігрівач відключений (ключ К розімкнений, крива 2). Для двох робочих точок на ВАХ магнетрона при Іа = 0,1 (крива 1) і 0,15 А (крива 2) проведено математичне моделювання впливу зміни температури поверхні катода (флуктуацій температури) на стабільність частоти коливань, що генеруються (рис. 6). Показано, що зміна температури термоемісійного катода від 1060 С до 1110 С призводить до значних коливань частоти генерації магнетрона з девіацією до 29 Мгц. Із зростанням анодного струму на ВАХ і зростанням потужності генерації величину девіації можна зменшити до 19 Мгц і таким чином підвищити стабільність частоти генерації.

Проведені експериментальні дослідження впливу температурного режиму роботи оксидного катода непрямого напруження безперервного магнетрона на стабільність частоти його генерації показали, що одним з істотних чинників нестабільності частоти в магнетронах є флуктуації струму термоелектронної емісії. Встановлено, що причина таких флуктуацій обумовлена додатковим розігріванням катода вторинною електронною емісією.

Розглянемо вихідний спектр безперервного магнетрона у разі, коли підігрівач катода включений (ключ К на рис. 4 замкнутий) і у разі, коли підігрівач відключений (ключ К на рис. 4 розімкнутий). Смуга огляду спектроаналізатора складає 8 Мгц на одне ділення шкали (а) і 2 Мгц з ціною ділення шкали 200 кГц (б) (рис. 7). Аналіз поданих результатів показує, що за наявності термоелектронної емісії з катода (ключ К замкнутий) девіація частоти коливань, що генеруються магнетроном, перевищує 12 Мгц. У цьому випадку генеруваний магнетроном ВЧ сигнал можна розглядати як складний частотно-модульований сигнал. У разі розриву ланцюга живлення підігрівача (ключ К розімкнений) термоелектронна емісія зменшується (зменшується температура нагрівання поверхні катода) і відбір струму з катода в режимі стаціонарної генерації здійснюється, в основному, за рахунок вторинної електронної емісії. При цьому основні параметри магнетрона практично зберігають свої значення, а девіація частоти значно зменшується і не перевищує 180 кГц.

а) б)

Рис. 7. Вихідний спектр магнетрона з урахуванням термоелектронної

емисії (а) і у разі її відсутності (б)

Таким чином, подані результати математичного моделювання і дані експерименту знаходяться у добрій відповідності один з одним і показують, що однією з причин нестабільності частоти коливань у магнетронах з термоемісійним катодом є вплив теплових процесів на катоді, які пов'язані з коливаннями температури поверхні катода за рахунок додаткового її розігрівання вторинною електронною емісією.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішується актуальна наукова задача, яка полягає в встановленні фізичних закономірностей впливу теплових процесів на частотні характеристики (девіацію частоти) магнетронних автогенераторів в умовах постійної зміни емісійної активності катода, розвитку методології математичного моделювання фізичних процесів нелінійної взаємодії в магнетронних автогенераторах з урахуванням впливу процесів теплообміну. Основні результати роботи полягають в тому, що:

1. Вперше розроблено двовимірну багатоперіодну математичну модель магнетрона з урахуванням впливу процесів тепловиділення і теплообміну між катодом і анодом. Для дослідження теплових процесів розроблено аналітичну математичну модель теплових процесів, що мають місце на катоді магнетронного автогенератора. Отримано аналітичний вираз для розрахунку додаткового підігріву поверхні оксидного катода електронами, що бомбардують катод.

2. Запропоновано точніший метод розрахунку енергії бомбардування електронами катода і анода магнетронів. Показано, що такий підхід дозволяє проводити моделювання вильоту на катод малоенергетичних частинок з енергіями вильоту менше 10 еВ без значного збільшення загального часу рахунку.

3. Вперше розроблено і застосовано метод експериментального визначення “холодних” електродинамічних параметрів анодних блоків магнетронів. Показано, що отримані результати вимірювання електродинамічних параметрів являють практичний інтерес і можуть бути використані як початкові дані в математичних моделях магнетронів під час проведення досліджень, направлених на вдосконалення їх конструкцій і режимів роботи.

4. Проведено аналіз механізму фазового угруповання електронного потоку в магнетронних автогенераторах за умови впливу на фазування потоку складових поля ПЗ і компонент синхронного ВЧ поля (динамічний режим). Показано, що кулонівські сили розштовхування сприяють поліпшенню процесу повторно-емісійного розмноження і утворенню режиму обмеження емісії, завдяки процесу “саморегулювання” струмовідбору з катода. Встановлено, що дія сил ПЗ погіршує частотні характеристики магнетронів (зростає фазовий розлад між спицею ПЗ і максимумом гальмуючого напівперіоду ВЧ поля) і практично не впливає на енергетичні характеристики приладів (відносна зміна вихідної потужності не перевищує (0.5–1.5) дБ, а зміна ефективності взаємодії не перевищує (3–4) %.). Розглянуто особливості фазового угруповання в динамічному режимі роботи магнетрона з урахуванням взаємодії замкнутого електронного потоку з ВЧ полем основного (випадок основної просторової гармоніки або - виду) і вищого (випадок -1 просторової гармоніки або - виду) видів коливань. Показано, що ефективність взаємодії електронів з ВЧ полем - виду значно знижується і ккд такої взаємодії не перевищує (10–15) %.

5. Вперше розглянуто особливості протікання конвекційного струму від катода до анода в магнетронах на основі траєкторного аналізу руху електронів за умови наявності різних видів емісії (термоелектронної і вторинної). Показано, що у разі використання оксидного катода непрямого напруження емісія з катода відбувається зі всієї його поверхні до моменту встановлення режиму обмеження емісії полем ПЗ у прискорюючих областях фаз ВЧ поля. Із областей з гальмуючими фазами вильоту має місце емісія термоелектронів у режимі насичення щільності струму термоемісії. У разі використання холодних безнакальних катодів основний відбір струму походить з прискорюючих областей фаз вильоту. При цьому в областях з гальмуючими фазами вильоту відбувається збіднення щільності електронної хмари.

6. Проведено моделювання робочих ВАХ безперервного магнетрона М-857 за допомогою 2-D і 3-D математичних моделей магнетрона. Порівняння теоретичних залежностей з експериментом показало, що розбіжність даних комп'ютерного моделювання з експериментальними даними не перевищує одиниць відсотків. Встановлено, що урахування в 2-D моделі магнетрона теплових процесів дозволяє контролювати встановлення режиму теплового обмеження роботи магнетрона, що відповідає заданому тепловому режиму роботи магнетрона (наприклад, повітряне охолоджування).

7. Проведено математичне моделювання впливу температурного режиму роботи оксидного підігріючого катода магнетрона на стабільність частоти його генерації. Показано, що одним з істотних чинників нестабільності частоти в магнетронах є флуктуації струму термоелектронної емісії. Встановлено, що причина таких флуктуацій обумовлена додатковим розігріванням катода вторинною електронною емісією. Аналіз результатів моделювання показав, що зміна температури катода від 1060 С до 1110 С призводить до значних коливань частоти генерації магнетрона з девіацією до 29 Мгц. Із зростанням анодного струму на ВАХ і зростанням потужності генерації величину девіації можна зменшити до 19 Мгц і підвищити стабільність частоти генерації.

8. Експериментально встановлено, що відключення струму напруження термоелектронного катода дозволяє на два порядки зменшити девіацію частоти в магнетроні, довівши її до 80 ... 180 кГц зі збереженням решти параметрів приладу. Отриманий результат дозволяє розглядати його як ще один важливий дестабілізуючий чинник (на додаток до існуючих), який пов'язаний з наявністю флуктуацій струму емісії з катода, обумовлені додатковим підігріванням катода електронами, що бомбардують катод.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чурюмов Г.И., Басрави К.М., Сивоконь К.В. Многопериодная математическая модель магнетрона. Радиоэлектроника и информатика, 2006, № 2, с. 15 – 27.

2. Басрави К.М., Фролова Т.И., Чурюмов Г.И. Особенности фазовой группировки в магнетронных приборах с распределенной эмиссией. Вісник Сумського державного університету. Серія: Фізика, математика, механіка,
№ 1, 2007, с. 105 – 116.

3. Басрави К.М., Чурюмов Г.И. Расчет и экспериментальное измерение параметров анодных блоков магнетронов. Вісник Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, № 756, 2007, с. 132 – 139. 19.

4. Чурюмов Г.И., Фролова Т.И., Басрави К.М., Сивоконь К.В. Влияние тепловых процессов на катоде и аноде на частотные характеристики магнетронов. Радиоэлектроника и информатика, 2007, № 2, с.с. 34 – 46.

5. Churyumov G.I., Frolova T.I., Basrawi K.M. Simulation of Lock Mode in Two-Stage Magnetron. 2006 IEEE International Vacuum Electronics Conference (held jointly with 2006 IEEE International Vacuum Electron Sources) IVEC/IVESC 2006 (April 25-27, 2006, Monterey, California, USA), p.p. 243 – 244.

6. Churyumov G.I., Frolova T.I., Basrawi K.M. Two-Stage Magnetron for Radar Application. 2-nd Microwave & Radar Week in Poland. Proceedings of International Radar Symposium - IRS 2006 (24-26 May 2006 Krakov, Poland), p.p. 163 – 165.

7. Чурюмов Г.И., Грицунов А.В., Старчевский Ю.Л., Фролова Т.И., Басрави К.М., Экезли А.И., Перевертайло Р.А. Теоретические и экспериментальные исследования режимов перестройки частоты и синхронизации магнетронов. Материалы 16-ой Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” КрыМиКо 2006. 9-12 сентября, 2006. – Севастополь, с.с. 296 – 297.

8. Чурюмов Г.И., Фролова Т.И., Басрави К.М., Сивоконь К.В., Экезли А.И. Проблемы и тенденции применения магнетронных генераторов в информационных системах. Материалы 1-й Международной научной коференции “Глобальные информационные системы. Проблемы и тенденции развития”, 2-6 октября 2006. – Туапсе, с. 482 – 483.

9. Басрави К.М., Экезли А.И., Чурюмов Г.И. Экспериментальная методика расчета параметров анодных блоков магнетронов. Сборник трудов VI Харьковской конференции молодых ученых “Радиофизика и электроника”, 13-14 декабря 2006. – Харьков, с. 18.

10. Экезли А.И., Басрави К.М. Разработка методики измерения нестабильности частоты магнетрона. Материалы 11-го Международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке". Часть 1. - Харьков, 2007, с. 237.

11. Басрави К.М., Экезли А.И. Экспериментальное исследование распределения магнитного поля в магнетроне. Материалы 11-го Международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке". Часть 1. – Харьков, 2007, с. 238.

12. Чурюмов Г.И., Старчевский Ю.Л., Фролова Т.И., Басрави К.М., Экезли А.И., Сивоконь К.В. Влияние теплового режима термоэмиссионного катода на частотные характеристики магнетронов. Материалы 17-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” КрыМиКо 2007 (10-14 сентября, 2007, Севастополь, Украина).

АНОТАЦІЯ

Камал Басраві Махмуд Аліє. Вплив теплових процесів на стабільність частоти коливань у багаторезонаторних магнетронних автогенераторах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2007.

Дисертація присвячена теоретичному і експериментальному дослідженню частотних властивостей магнетронних автогенераторів. Вивчено загальні фізичні процеси в магнетронних автогенераторах з урахуванням впливу теплових процесів на катоді.

Розроблено двовимірну багатоперіодну математичну модель магнетрона з урахуванням впливу процесів тепловиділення і теплообміну між катодом і анодом, аналітичну математичну модель теплових процесів, що мають місце на катоді магнетронного автогенератора, а також запропоновано метод експериментального визначення “холодних” електродинамічних параметрів анодних блоків магнетронів.

Проведено теоретичний аналіз фізичного механізму фазового угруповання електронного потоку в магнетронних автогенераторах за умови впливу на фазування потоку складових поля ПЗ і компонент синхронного ВЧ поля (динамічний режим). Розглянуто особливості протікання конвекційного струму від катода магнетронів до анода на основі траєкторного аналізу руху електронів за умови наявності різних видів емісії (термоелектронної і вторинної).

Проведено теоретичні й експериментальні дослідження для вивчення впливу температури оксидного катода непрямого розжарення на стабільність частоти магнетрона. Показано, що одним з істотних чинників нестабільності частоти в магнетронах є флуктуації струму термоелектронної емісії, обумовлених додатковим розігріванням катода вторинною електронною емісією.

Наведено результати математичного моделювання і натурного експерименту знаходяться у добрій відповідності один з одним.

Ключові слова: магнетрон, стабільність частоти, метод крупних частинок, електронний потік, анодний блок, термоемісійний катод, вторинна електронна емісія.

АННОТАЦИЯ

Камал Басрави Махмуд Алие. Влияние тепловых процессов на стабильность частоты колебаний в многорезонаторных магнетронных автогенераторах. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 – физика приборов, элементов и систем. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию частотных свойств магнетронных автогенераторов. Изучены общие физические закономерности работы магнетронных автогенераторов с учетом влияния тепловых процессов на катоде.

Разработана двухмерная многопериодная математическая модель магнетрона с учетом влияния процессов тепловыделения и теплообмена между катодом и анодом. Для исследования тепловых процессов разработана аналитическая математическая модель тепловых процессов, имеющих место на катоде магнетронного автогенератора.

Разработан метод экспериментального определения “холодных” электродинамических параметров анодных блоков магнетронов. Показано, что полученные результаты измерения электродинамических параметров представляют практический интерес и могут быть использованы в качестве начальных данных для математических моделей магнетронов.

Проведен анализ физического механизма фазовой группировки электронного потока в магнетронных приборах с распределенной эмиссией и замкнутым электронным потоком (магнетронах) при условии влияния на фазировку потока составляющих поля ПЗ и компонент синхронного ВЧ поля (динамический режим). Показано, что кулоновские силы расталкивания способствуют улучшению процесса вторичноэмиссионного размножения и образованию режима ограничения эмиссии, благодаря процессу “саморегулирования” токоотбора с катода. Установлено, что действие сил ПЗ ухудшает частотные характеристики магнетронов (растет фазовая расстройка между спицей ПЗ и максимумом тормозящего полупериода ВЧ поля) и практически не влияет на энергетические характеристики приборов.

Рассмотрены особенности протекания конвекционного тока от катода магнетронов до анода на основе траекторного анализа движения электронов при условии наличия различных видов эмиссии (термоэлектронной и вторичной).

Проведено математическое моделирование влияния температурного режима работы оксидного подогревного катода магнетрона на стабильность частоты его генерации. Показано, что одним из существенных факторов нестабильности частоты в магнетронах являются флуктуации тока термоэлектронной эмиссии. Установлено, что причина таких флуктуаций обусловлена дополнительным разогревом катода вторичной электронной эмиссией. Данный результат позволяет рассматривать его как дополнительный важный дестабилизирующий фактор (в дополнение к существующим), связанный с флуктуациями тока эмиссии с катода за счет дополнительного подогрева катода бомбардирующими его электронами. Установлено, что учет в модели магнетрона тепловых процессов позволяет контролировать установление режима теплового ограничения работы магнетрона.

Приведенные результаты математического моделирования и натурного эксперимента находятся в хорошем соответствии друг с другом. Сравнение теоретических зависимостей с экспериментом показало, что расхождение данных компьютерного моделирования с экспериментальными данными не превышает единиц процентов.

Ключевые слова: магнетрон, стабильность частоты, метод крупных частиц, электронный поток, анодный блок, термоэмиссионный катод, вторичная электронная эмиссия.

SUMMARY

Kamal