2
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ................................................. 5
Глава I. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИГНАЛА В РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЕ ТИПА ЗАМЕДЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА - ПЕРИОДИЧЕСКИ -НЕОДНОРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ПОТОК ......................... 19
1.1. Вывод уравнения для ВЧ поля линии передачи в приближении слабой связи с периодически-неодно-родным электронным потоком ............................. 19
1.2. Анализ взаимодействия прямой и обратной замедленных электромагнитных волн с синхронной волной периодического криволинейного электронного потока в скрещенных ПОЛЯХ................................... 31
1.3. Основные результаты главы I....................... 43
Глава 2. ФАЗОВЫЕ И АМПЛИТУДНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ С ПЕРИОДИЧЕСКИМ КРИВОЛИНЕЙНЫМ ПОТОКОМ В СКРЕЩЕННЫХ ПОЛЯХ.................................................... 46
2.1. Вывод уравнения»описывающего распределение ВЧ поля при длительном взаимодействии замедленной электромагнитной волны с криволинейным потоком
в режиме слабого сигнала ........................... 46
2.2. Исследование неустойчивости неоднородной активной среды в скрещенных полях по отношению к малым ВЧ возмущениям....................................... 52
2.3. Формулировка исходной системы уравнений,описывающей нелинейное взаимодействие периодического криволинейного электронного потока с замедленной электромагнитной волной ................................. 65
2.4. Усиление сигнала в неоднородной нелинейной распределенной системе в скрещенных полях....... 68
2.5. Автоколебания в неоднородной нелинейной распределенной системе в скрещенных полях................... 81
2.6. Основные результаты главы 2.......................... 91
з
Глава 3. ОСОБЕННОСТИ УСИЛЕНИЯ СЛОШОГО(МНОГОЧАСТОТНОГО)
СИГНАЛА В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМАХ ТИПА ПРЯМАЯ ЗАМЕРЕННАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА - ПЕРИОДИЧЕСКИЙ НЕПРЯМОЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ПОТОК ..... 93
3.1. Квазистационарннй подход к исследованию многочастотного усиления в распределенной системе прямая электромагнитная волна - криволинейный электронный поток........ 93
3.2. Анализ влияния периодических неоднородностей электронного потока на усиление 2-х сигналов с близкими частотами...................................................... 99
3.3. Усиление 3-х независимых сигналов с близкими частотами в распределенной системе с активной средой в скрещенных полях.................................................. 109
3.4. Основные результаты главы 3................................. 116
Глава 4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛУЧЕВЫХ ПРИБОРОВ СО СКРЕЩЕННЫМИ ПОЛЯМИ С ПЕРИОДИЧЕСКИМ НЕПРЯМОЛИНЕЙНЫМ ПОТОКОМ.... 118
4.1. Искажения амплитуды и фазы выходного сигнала в ЛЕВМ
с непрямолинейным потоком...................................................................... 118
4.2. Механизм образования разрывов частотной характеристики ЛОВМ.....................................................124
4.3. Экспериментальное исследование частотной характеристики ЛОВМ с непрямолинейным потоком .................... 135
4.4. Обсуждение вопроса физической оптимизации электроннооптической системы лучевых приборов со скрещенными полями с целью уменьшения амплитудных и фазовых искажений выходного сигнала......................................... 144
4.5. Основные результаты главы 4............................ 153
ЗАКЛЮЧЕНИЕ '..................................................... 156
ЛИТЕРАТУРА....................................................... 160
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Поперечные колебания ленточного электронного потока в скрещенных полях.Оценка границ применимости модели тонкого луча........................................ 179
4
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.Боковые колебания электронного потока М-типа и юс связь с поперечными в неоднородных статических полях....................................................... 164
ЛИТЕРАТУРА К ПРИЛОЖЕНИЯМ........................................ 203
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность теш.Современное состояние и развитие радиоэлектронных систем связи,управления,локации и т.д. характеризуются резким увеличением объема передаваемой информации и усложнением спектра обрабатываемых СВЧ сигналов. В связи с этим в радиофизике очень остро стоит проблема уменьшения амплитудно-частотных и фазо-частотных искажений СВЧ сигналов,наличие которых может приводить как к потере полезной, так и появлению ложной информации. Одним из источников искажений сигналов в линейных и нелинейных цепях являются активные устройства,используемые для усиления и генерации СВЧ колебаний. Для целей усиления и генерации сигналов СВЧ в настоящее время широко применяются распределенные системы типа электронный поток - электромагнитная волна,использующие активные свойства электронного потока.
К распределенным системам типа электронный поток - электромагнитная волна относятся СВЧ приборы с длительным взаимодействием, такие как лампы бегущей волны 0- и М-типов,лампы обратной волны 0- и М-типов,клистроны с распределенным взаимодействием и др.
Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики указанных систем в значительной степени определяются структурой активной среды. Особенно сложной оказывается структура активной среды в случае,когда электронный поток формируется и движется в скрещенных статических электрическом и магнитном полях. Это связано с тем,что электронам "разрешены" движения во всех трех измерениях и колебания электронного потока в любом из этих направлений изменяют параметры активной среды,приводя
6
к появлению в пучке периодических неоднородностей.
Сложность структуры активной среды,формируемой в скрещенных полях,приводит к тому,что системы,использующие это взаимодействие, наряду с достоинствами(высокие КПД,широкая полоса электронной перестройки) обладают такими аномалиями, как наличие скачков мощности,разрывов частотной характеристики,многочастотных паразитных колебаний,что ограничивает их практическое использование.
Поэтому теоретическое и экспериментальное исследования физических процессов,определяющих искажения сигнала в усилительных и автоколебательных системах типа электромагнитная волна -периодически-неоднородный электронный поток в скрещенных ПОЛЯХ представляется актуальным и практически необходимым.
Состояние вопросов и основные задачи исследования.
Значительное место в современной радиофизике занимает изучение систем,основанных на распространении волн в активных и нелинейных средах [1-5] .Это,в частности,распределенные системы, включающие СВЧ генерирующие и усиливающие приборы с длительным взаимодействием(лампы бегущей волны 0-и М-типов,лампы обратной волны 0 и М-типов и т.д.).которые используют активные свойства электронного потока [6,7] .Одной из важных задач исследования усилительных и автоколебательных систем типа электронный поток - электромагнитная волна является анализ искажений усиливаемых или генерируемых сигналов,наличие которых ограничивает использование подобных систем в радиоэлек -тронных устройствах / связи,локации,управления/.Более всего на качестве выходного сигнала сказываются искажения его
7
спектра,определяемые реальными амплитудными и частотными характеристиками устройств.При этом передать или усилить сиг -нал - означает передать без искажения его спектр,сохранив соотношения между его компонентами [8.9І .Условиями получения неискаженных колебаний любого вида являются условия постоянства модуля коэффициента передачи и линейность фазо-частотной характеристики системы в полосе частот колебания,а именно,выполнение соотношений рЮ] :
d'-P(oj)
| К(<о) | = const, T(cj) = —— - const
где К - комплексный коэффициент- передачи,
Ц - фаза сигнала.
Прохождение модулированного колебания через неидельную систему, характеристики которой не отвечают указанныг,і условиям, сопровождается линейными /частотными и фазовыми/ и нелинейными искажениями (появлением новых частот в спектре сигнала) [11,12] .
В работе под аглплитудно—частотными/амплитудными/искаже-ниями сигнала будем понимать изменение его спектра,обусловленное отклонениями амплитудно-частотной характеристики сис-. теш от равномерной.А под фазовыми искажениями - изменения, вызываемые отклонениями фазо-частотной характеристики от линейной. Введенные понятия соответствуют определениям частотных и фазовых искажений сигнала,принятых в радиотехнике [11,12], и широко используются в электронике СВЧ [13,14] .Наряду с этим в электронике СВЧ используется параметр фазовой ста -
бильности усилителей,характеризующий изменения фазо-частотной характеристики при отклонении режима работ от номиыаль-
8
но го.Для автогенераторов аналогичным параметром является дифференциальная крутизна,характеризующая изменения частоты генерации при перестройке генератора по диапазону.
Обычно,основной причиной амплиту^ых и фазовых искажений
сигнала в распределенных системах(РС) типа электронный поток х/
(ЭП)А/- электромагнитная волна (ЭМВ) считаются отражения ВЧ мощности от концов и неоднородностей замедляющей системы[14-20,281 .В этих работах показано,что отражения ВЧ мощности,как в случае взаимодействия 0-типа [14,28] ,так и в случае взаимодействия в скрещенных полях [15-20] приводят к появлению различного рода нестабильностей.Так,при взаимодействии потока с прямой волной ВЧ поля наличие отражений вызывает увеличение
перепада коэффициента усиления,снижение среднего значения выходной мощностидшеличение изрезанности фазо-частотной характеристики [14,28] .При взаимодействии с обратной волной изменение модуля и фазы коэффициента отражения от концов замедляющей системы приводят к перескокам частоты при фиксированном анодном напряжении,разрывам частотной характеристики при перестройке генератора по диапазону.При этом мощность,поглощаемая в нагрузке,колеблется по диапазону.Разрывам частотной характеристики соответствуют скачки выходной мощности [14 ] .
Все эти вопросы достаточно хорошо изучены и известны рекомендации по уменьшению искажений,вызванных отражениями от концов и неоднородностей замедляющей системы.
Однако,наряду с названными электродинамическими неоднородностями практически всегда существуют неоднородности и в
х/В дальнейшем в тексте диссертации будем использовать указанные сокращения.
самом электронном потоке,связанные с периодическим изменением любого параметра пучка в направлении его движения,Эти неоднородности электронного потока будем называть электронными неоднородностями.
Электронные неоднородности могут быть связаны,в частности^ изменением продольной скорости электронов в скрещенных статических электрическом и магнитном полях,с изменением поперечной плотности потока и наличием поперечных смещений в продольных электрическом и магнитном полях.Неоднородности в потоке носителей заряда вызваны,как правило,нарушениями условий оптимальной фокусировки пучков (М-тип взаимодействия и 0-тип с фокусировкой однородными полями)»условиями формиро -вания активной среды в периодических электрическом и магнитном полях (0-тип взаимодействия с периодической электростатической фокусировкой или фокусировкой периодическим магнитным полем).
Вопросы влияния неоднородностей активной среды на характеристики взаимодействия 0 и М-типов также рассматривались в литературе.
В работах [14,53-66] проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния электронных неоднородностей на эффективность взаимодействия непрямолинейного потока с замедленными электромагнитными волнами в продольных полях.
Показано,что эффективность взаимодействия непрямолинейного потока с ВЧ полем периодически изменяется по длине пространства взаимодействия.Уменьшение КПД систем с непрямоли -нейным потоком обусловлено ухудшением эффективности взаимодействия за счет динамической расфокусировки пучка£56] и
10
увеличения токооседания электронов пучка на замедляющую систему [53,54,62-65] .Наличие пульсаций не позволяет получать большой коэффициент заполнения пучком пролетного канала и осуществлять глубокую рекуперацию из-за возникновения радиальных составляющих скорости электронов [56] ,что также препятствует увеличению КПД приборов.
Экспериментально показано [55,56],что на изменения амплитуды пульсаций влияют магнитное поле в переходной области и длина переходной области.Так,при сходимости пучка по радиусу Пб5 [62]поток имеет почти ламинарный характер при правильном выборе длины переходной области.
С укорочением длины волны усиливаемого сигнала увеличивается критичность выходных параметров ЛЕВО от режима работы электронной пушки,т.е.возрастает влияние неламинарности структуры пучка на КПД.
Из приведенного анализа видно,что во всех рассмотренных работах исследуются лишь интегральные эффекты влияния пульсаций на энергетические характеристики 0-типа.Исследования
дифференциальных(неусредненных) характеристик,существенных при практическом использовании реальных приборов,не проводятся.Не исследуются также и фазовые характеристики приборов с периодически-неоднородной активной средой.
Аналогичную ситуацию мы имеем и для приборов со скрещенными полями.Изучено влияние электронных неоднородностей(статической циклоидальности) на интегральные характеристики взаимодействия.
В скрещенных электрическом и магнитном полях ситуация является особенно сложной и недостаточно изученной,т.к. электронам "разрешены" движения во всех трех измерениях.Это уже
II
поток осцилляторов [4,24,25] »колебательные свойства которых определяются и движением в статических полях, и высокочастотными возмущениями.Из-за сложности задачи,поток носителей заряда, как правило,по крайней мере в статике,при теоретическом исследовании "заставляют'11 быть прямолинейными.Свойства прямолинейных ЭП,движущихся в скрещенных электрическом и магнитном по -лях,в настоящее время хорошо изучены,а неустойчивость этих пучков по отношению к ВЧ полям успешно применяется для усиления и автоколебаний СВЧ сигналов [13,26-33] .
На самом деле реальный электронный поток существенно отличен от прямолинейного и представляет собой,согласно результатам экспериментальных исследований структуры пучка в скрещенных электрическом и магнитном полях [34-38]ленту,пульсирующую как в направлении электрического,тале и магнитного полей.
Теоретические исследования взаимодействия криволинейных потоков с замедленными электромагнитными волнами в скрещенных полях были начаты работами Галимуллина В.Н.- и Романова П.В. и продолжены в работах [39,40] .В указанных работах авторы использовали усреднение орбитального движения электронов по периоду обращения,что позволило им исследовать только амплитудные характеристики систем.Однако,очевидно, для уменьшения искажений выходных параметров РС,проявляющихся в нарушении фазовой стабильности усилителей и разрывах фазовой/частотной/ характеристики генераторов,требуется проведение исследова -ний фазовых,а также дифференциальных характеристик систем, анализ которых в рамках названных работ невозможен и ранее не проводился.
12
Необходимость дальнейших исследований структуры активной среды и её влияния на характеристики взаимодействия электронных потоков с БЧ полем определяется и возможностью использования криволинейных потоков для повышения эффективности анализируемых систем. Так, в работе [40]циклоидальный характер движения электронного потока используется авторами для увеличения коэффициента усиления и уменьшения длины насыщения ЛЕВМ. Это достигается за счет принудительного отбора "неправильнофазных" электронов на отрицательный электрод, который был впервые использован Тетельбаумом С.И.[41] и Боковым В.М.[42] в приборах с незамедленными волнами и экспериментально проведен в работе [43] . Кроме этого, обнаруженный Гапоновым A.B. новый механизм фазировки электронов криволинейных потоков [24,44] , основанный на релятивистском эффекте зависимости циклотронной частоты от энергии электронов, позволил создать ряд орогинальных приборов с уникальными характеристиками, получивших название гирорезонансных приборов. Возбужденные электронные осцилляторы могут излучать значительную часть колебательной энергии, поэтомуКПД гирорезонансных приборов может быть большим.
На важность и необходимость учета статической циклоидаль-ности электронного потока указывают и результаты экспериментальных исследований [45] . По мнению авторов работ [46,47] определенная группа паразитных явлений в усилителях бегущей волны М-типа связана с особенностями взаимодействия непрямолинейного потока в скрещенных полях с ЭМВ линии передачи. Это подтверждает актуальность и практическую значимость исследований нелинейных явлений в PC типа периодический
13
криволинейный ЭП - прямая ЭМВ в случае усиления сложного сигнала.
Из изложенного следует,что криволинейный поток электронов в продольных и скрещенных статических полях является нелинейной активной средой с новыми свойствами. Тогда должны быть и новые физические эффекты в более сложной распределенной системе периодически-неоднородный поток - замедленная электромагнитная волна,важной с точки зрения практического использования. Особенно сильно это должно проявиться в распределенных системах с активной средой в скрещенных полях,обладающих большим числом степеней свободы.
Цель работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании особенностей усиления и генерации СВЧ сигналов в распределенных системах (РС) типа замедленная прямая или обратная электромагнитная волна (ПЭМВ или ОЭМВ) - периодически-неоднородный электронный поток для улучшения качества выходного сигнала и уменьшения фазовых и амплитудных искажений на примере взаимодействия в скрещенных полях.
Решение указанной проблемы в работе включает в себя:
- анализ известных механизмов амплитудных и фазовых искажений и поиск новых причин появления названных искажений с целью направленного уменьшения их уровня;
- изучение механизмов взаимодействия и характера нелинейности активной среды для нахождения оптимальных режимов работы по отношению к уровню амплитудных и фазовых искажений
сигнала;
- физическую оптимизацию лучевых приборов со скрещенными
14
полями в направлении уменьшения искажений выходного сигнала.
В первой главе на основе метода связанных волн проведен теоретический анализ распределенных активных систем типа электромагнитная волна - электронный поток при наличии в пучке периодических неоднородностей. Задача решается для систем,в которых реализуется двухволновое приближение,а именно,тлеет место взаимодействие двух волн: одной в линии передачи и одной в электронном потоке. В результате исследований обнаружен еще один механизм появления амплитудных и фазовых искажений в распределенных системах типа электромагнитная волна - электронный поток, связанный не с неоднородностями в электродинамической системе,а с неоднородностями в потоке носителей заряда (электронными неоднородностями).
Во второй главе проведено теоретическое исследование особенностей усиления и генерации сигналов в распределенных активных системах типа прямая или обратная электромагнитная волна - электронный поток в скрещенных полях при наличии периодических неоднородностей в пучке. В результате теоретически обоснован механизм возникновения амплитудных и фазовых искажений в анализируемых системах. Выявлены источники появления этих искажений.
В третьей главе исследуются амплитудные и фазовые искажения сложного сигнала с эквидистантным спектром в распределенных системах типа прямая электромагнитная волна - периодичес-ки-неоднородный электронный поток в скрещенных полях. Показано, что в нелинейном режиме статическая непрямолинейность
15
пучка является источником дополнительных искажений спектра сложного сигнала.
В четвертой главе результаты теоретического исследования процессов усиления и автоколебаний в распределенных активных системах типа прямая или обратная электромагнитная волна - периодический криволинейный электронный поток в скрещенных полях используются для расчета характеристик лучевых приборов со скрещенными полями с непрямолинейным потоком. Теоретически и экспериментально обоснован новый механизм появления разрывов частотной характеристики генераторной ЛОВМ.
Для улучшения структуры пучка в скрещенных полях с целью уменьшения искажений сигнала в лучевых приборах со скрещенными полями проведена физическая оптимизация электроннооптических систем указанных приборов.
Научная новизна.В результате исследования процессов усиления и генерации СВЧ сигналов в распределенной системе типа замедленная прямая или обратная электромагнитная волна - периодический криволинейный электронный поток:
- обнаружен и исследован новый эффект нарушения амплитудных и фазовых условий оптимального взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком, обусловленный наличием в потоке регулярных электронных неоднородностей;
- теоретически обоснован новый механизм амплитудных и фазовых искажений сигналов при взаимодействии в скрещенных полях, связанный с различными видами непрямолинейности статических траекторий и неэквипотенциальностыо пространства взаимодействия;
16
- теоретически и экспериментально обоснован новый механизм появления разрывов частотной характеристики автогенераторов М-типа с периодическим криволинейным электронным потоком.
Впервые исследовано усиление сложного сигнала с эквидистантным спектром в распределенной системе типа прямая электромагнитная волна - периодический криволинейный электронный поток в скрещенных полях.
Практическая значимость. В работе даны рекомендации по снижению искажений амплитудных и фазовых характеристик лучевых приборов магнетронного типа и улучшения спектра многочастотного сигнала за счет улучшения структуры электронного потока.
Результаты работы, касающиеся усилителя бегущей волны М-ти-па представляют интерес для увеличения коэффициента усиления, повышения фазовой стабильности усилителя и уменьшения изрезан-ности его амплитудно-частотной характеристики. Результаты работы, касающиеся генераторов магнетронного типа представляют практический интерес для улучшения выходных параметров этих приборов за счет уменьшения нелинейности частотной характеристики, устранения некоторых ее разрывов и скачков ВЧ мощности, сопровождающих эти разрывы, улучшения интегральных амплитудно -частотных характеристик.
В работе предложены практические пути улучшения структуры пучков М-тила.
Результаты диссертационной работы использованы в НИИ механики и физики при С1У при выполнении 5 НИР, на предприятии Саратова и в учебном процессе на физическом факультете Саратовского госуниверситета, что подтверждено соответствующими актами.
17
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Периодические неоднородности электронного потока являются дополнительной причиной искажений амплитуды и фазы сигнала в системах с распределенным взаимодействием замедленной электромагнитной волны с электронным потоком. Наибольший вклад в эти искажения вносят периодические изменения продольной скорости электронов.
2. Принудительное распределение точек выхода электронов периодического криволинейного электронного потока на замедляющую систему в нелинейном режиме в сочетании с неустойчивостью отдельных траекторий электронов,касающихся замедляющей системы вершинами циклоид,по отношению к малым изменениям режима работы вызывают появление разрывов частотной характеристики автогенераторов с непрямолинейным электронным потоком в скрещенных полях.
3. Повышение общего уровня комбинационных составляющих и появление резкой зависимости КПД от величины входного сигнала в случае взаимодействия прямой электромагнитной волны с периодическим криволинейным потоком в скрещенных полях дополнительно увеличивают амплитудные и фазовые искажения сложных сигналов с близкими частотами.
Публикации и апробация работы. Основные результаты и положения работы отражены в пяти научных статьях [73,78.79,84, 133], шести тезисах докладов на Всесоюзных конференциях [34, 67,77,83,103,134], двух депонированных рукописях [71,132].
18
Результаты,изложенные в диссертации докладывались и обсуждались на УШ-Х Межвузовских конференциях по электронике СВЧ (Ростов-на-Дону,1976,Киев,1979.Минск,1983).Всесоюзной сессии НТО РЭС им.A.C.Попова (Москва,1978,1979,1982), 5-ой зимней школе-семинаре по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов,1981), 7-ом Всесоюзном семинаре по методам расчета электроннооптических систем (Новосибирск,1981).областной научно-технической конференции "Молодежь - XI пятилетке"(Саратов,1981),а также на научных семинарах кафедры общей физики С1У.
- Київ+380960830922