Многовидовое взаимодействие в магнетронном генераторе



В работе приведены исследования многовидового взаимодействия в магнетронном генераторе. Эксперименты показали, что в классическом магнетроне возможно возбуждение сразу двух паразитных видов колебаний, время существования которых сравнимо с длительностью импульса основного колебания.

Ключевые слова: магнетрон, спектр генерации, многовидовое взаимодействие, математическая модель, колебания π‑вида

С развитием науки и техники любые приборы и устройства должны совершенствоваться и изменяться для удовлетворения определенных потребностей. В современном мире конструкция магнетронных генераторов реализующего одночастотное взаимодействие достаточно хорошо исследована и не имеет путей к развитию. Очевидным шагом в развитии магнетрона является переход к конструктивным решениям, реализующим многовидовое взаимодействие.

Эксперименты показывают, что в магнетронных генераторах на ряду с основным π-видом колебаний возможно одновременное возбуждение побочного колебания вида. [1, 2]. Долгое время такие колебания считались паразитными, однако современные исследования показывают, что влияние высокочастотного побочного сигнала может приводить к ряду эффектов, применение которых в магнетронах способно существенно расширить область применения этих приборов [3]. На ряду с исследованиями, проведенными по двухвидовому взаимодействию, достаточно большой интерес вызывает многовидовое взаимодействие, т. е. одновременное возбуждение сразу трёх видов колебаний.

Для моделирования таких процессов используется преобразованная самосогласованная математическая модель магнетронного генератора, включающая в себя: уравнения движения в скрещенных электрических и магнитных полях; уравнения возбуждения электродинамической системы магнетрона; уравнения, моделирующие термоэлектронную и вторичную эмиссию с катода; уравнение Пуассона, записанное в цилиндрической системе координат, для моделирования поля пространственного заряда.

Взаимодействие видов колебаний моделируется для пространства взаимодействия и электродинамических характеристик магнетронного генератора М-155. Предполагается возможность самовозбуждения сигналов вида и вида с малой добротностью и частотами 3 ГГц и 2,01 ГГц.

Считается, что возбуждение побочных видов колебаний приводит к нестабильности работы магнетрона. Однако из рисунка 1, приведенного для спектра выходного сигнала -вида, видно, что несмотря на наличие двух побочных видов колебаний, -вида генерируется стабильно. Так же влияние колебаний побочного вида приводит к появлению в спектре сигнала π-вида гармоники с частотой 3 ГГц и комбинационной гармоники 5,45 ГГц.

Рис. 1. Спектр выходного сигнала -вида. Колебания основного -вида: норма N_ =7,010–¹⁵ Ф, добротность Q_= 90, f_=2,45 ГГц

При рассмотрении сперта выходного сигнала -вида (рисунок 2), наблюдается присутствие гармоник обоих видов: π-вида и -вида.

При этом наблюдается незначительное смещение частоты генерации-вида, его частота становится равной 2,449ГГц. Комбинационная гармоника образованная путем сложения частот π-вида и -вида: 5,449 ГГц, так же остается стабильной на всем спектре генерации выходного сигнала.

Рис. 2. Спектр выходного сигнала -вида. Колебания основного -вида: норма N_ =3,010–¹⁶ Ф, добротность Q_= 11, f_=3,00 ГГц

На рисунке 3 представлен спектр выходного сигнала -вида. Спектр не стабилен на протяжении всего сигнала и сильно зашумлен, что говорит о слабом возбуждении -вида.

Рис. 3. Спектр выходного сигнала -вида. Колебания основного -вида: норма N_ =3,010–¹⁶ Ф, добротность Q_= 5, f_=2,01 ГГц

Однако при сравнении результатов трехвидового взаимодействия с двухвидовым, наличие третьего вида колебаний дает более стабильную генерацию π-вида и -вида.

Эксперименты, проведенные с использованием математической модели магнетронного генератора, показывают, что в классическом магнетроне возможно возбуждение сразу двух паразитных видов колебаний, время существования которых сравнимо с длительностью импульса основного колебания.

При этом энергия второго паразитного вида перераспределяется и подпитывает -вид и вид, что также дает стабильную генерацию и насыщает спектр комбинационными составляющими.

Литература:

1. Ермолаев А. В. Математическое моделирование процесса конкуренции видов колебаний при возбуждении комбинационных составляющих в спектре генерации магнетрона / А. В. Ермолаев, О. А. Оленникова, И. В. Поляков // Известия ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». Вып. 16: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — № 8 (111), 2013. — C. 10–14.

2. Оленникова О. А. Исследование двухчастотных режимов генерации при взаимодействии видов колебаний в магнетронном генераторе / О. А. Оленникова, И. В. Поляков // Тезисы докладов смотра-конкурса научных, конструкторских и технологических работ студентов Волгоградского гос. технического университета, 14–17 мая 2013 г. / ВолгГТУ, Совет СНТО. — Волгоград, 2013. — C. 7–8.

3. Электронный поток в режиме одновременной генерации сигналов двух видов колебаний = Electron flow in the mode of simultaneous generation of two oscillation modes of signals / А. В. Ермолаев, О. А. Оленникова, А. Г. Шеин, И. В. Поляков // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо 2014): матер. 24-й междунар. Крымской конф., Севастополь (Крым, Россия), 7–13 сент. 2014 г. В 2 т. Т. 1 / Севастопольский нац. техн. ун-т, Крымский науч.-технол. центр им. проф. А. С. Попова [и др.]. — Москва; Киев; Минск; Севастополь, 2014. — C. 203–204.

4. Ермолаев А. В. Численная модель многочастотного взаимодействия в магнетронном генераторе [Текст] / А. В. Ермолаев // Вопросы физической метрологии: Вестник Поволжского отделения Метрологической академии России. — 1999. — Вып. 1. — с. 94–102.