Оценка возможности повышения уровня выходных характеристик магнетронов на пространственной гармонике Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.385.6

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНЕТРОНОВ НА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ГАРМОНИКЕ

ФУРСОВА Е.В., СОСНИЦКИЙ С.В.,

ВАВРИВ Д.М.____________________________

На основе самосогласованной модели магнетрона на пространственной гармонике проводится теоретическое исследование возможности повышения уровня основных выходных характеристики магнетронов этого типа. Показывается, что наличие даже малых неоднородностей в резонаторной системе вызывает снижение уровня выходной мощности, анодного тока и КПД прибора. Исследуется магнетрон на пространственной гармонике, генерирующий на длине волны 8 мм.

1. Введение

Совершенствование колебательных систем магнетронов на пространственной гармонике (МПГ) в целях повышения уровня их выходных характеристик приобретает особую актуальность, так как несмотря на возрастающую потребность в магнетронах коротковолновой части миллиметрового диапазона, обусловленную развитием передающих систем и радиолокационных комплексов, разработка новых типов этих приборов крайне проблематична. Ярким подтверждением этого может служить практически полное отсутствие публикаций по данной тематике.

На сегодня существует несколько возможностей получения более высоких значений КПД и выходной мощности магнетронов исследуемого типа. Остановимся кратко на некоторых из них. Так, в работе [1] рассматривается возможность повышения выходной мощности МПГ за счет увеличения числа резонаторов. В основу взят тот факт, что при сохранении шага и величины отношения ширины щели к шагу замедляющей системы и при неизменной осевой длине резонаторного блока площадь анодных сегментов прямо пропорциональна числу резонаторов. Однако в работе указано, что увеличение числа резонаторов в анодном блоке магнетронов в целях повышения излучаемой мощности приводит к значительному росту анодного напряжения (в 3-4 раза) и напряженности магнитного поля (в 2-3 раза). Следовательно, такой путь повышения уровня выходных характеристик имеет существенные ограничения по режимам и может быть использован лишь в исключительных случаях.

Другие возможности повышения уровня выходных характеристик основаны на использовании специфических свойств МПГ. Основным отличием принципа работы магнетронов такого типа является

применение в качестве рабочего вида не п -видной моды колебательной системы. Как известно, все типы колебаний, отличные от % -вида, вырождены, а так как анодная система несимметрична (из-за наличия устройств вывода энергии и неточностей изготовления резонаторного блока), их вырождение снимается, и каждый вырожденный вид колебаний расщепляется на два невырожденных с очень близкими резонансными частотами—дублет. При этом одна из составляющих дублета сильно связана с нагрузкой, а другая — слабо. Близость собственных частот компонент дублета приводит к их одновременному возбуждению, а слабая связь одной из компонент с нагрузкой приводит к снижению общего КПД [2].

Авторам работы [3] удалось повысить в 1,5 раза КПД магнетронов рассматриваемого типа путем замены равнорезонаторной системы анодного бло -ка на разнорезонаторную. Использование колебательных систем, состоящих из резонаторов с разными диссипативными потерями, позволило значительно уменьшить действие высоковольтного конкурента. Кроме этого, в работе указано, что для подавления конкурирующей, не связанной с нагрузкой компоненты дублета, необходимо выбирать резонаторные системы, образованные цепочкой резонаторов лопаточного и щелевого типа. Замечено также, что такая колебательная система увеличивает долговечность прибора.

В работе [4] нами был проведен теоретический анализ возможности управления контурным КПД колебательной системы МПГ за счет изменения глубины резонаторов анодного блока на малую величину, изменяющуюся по периодическому закону. Показано, что внесение малых искажений в исходную симметричную колебательную систему магнетрона приводит к изменению связи с нагрузкой компонент дублета, и можно подобрать такие амплитуду и фазу возмущения, при которых контурные КПД обеих составляющих дублета имеют близкие значения. А это может служить предпосылкой для получения более высоких значений выходной мощности и КПД магнетронов на пространственной гармонике.

Целью данной работы является теоретическая проверка указанной в [4] возможности повышения уровня выходных характеристик МПГ путем внесения малых периодических искажений в его анодный блок.

Основная задача исследования — получение путем самосогласованного моделирования работы МПГ значений анодного тока, выходной мощности и КПД магнетронов рассматриваемого типа в зависимости от амплитуды и фазы вносимых неод нород -ностей.

2. Краткое описание методики исследования

Как уже упоминалось выше, предлагаемый способ изменения коэффициента связи с нагрузкой обеих компонент дублета основывается на внесении достаточно малых искажений в исходную равнорезонаторную колебательную систему. Предлагаемое

РИ, 2005, № 3

36

искажение представляет собой изменение глубины каждого резонатора анодного блока на некоторую малую величину 5 i, изменяющуюся по периодическому закону:

5 i =-8 с +5 osin(2^x і + ф), (1)

где і — номер резонатора (нумерация ведется так, чтобы нагруженный резонатор имел номер 0); 5 с — постоянная величина; 5 о — амплитуда возмущения, описывающая максимальное изменение глубины резонаторов; % = n/N — некоторая константа, обусловливающая период вносимых в резонаторную систему искажений; n — любое целое число из

интервала о < n < N/2 ; 0 <ф<л/2 — фаза возмущения, определяющая ориентацию искажения длины резонатора относительно нагруженного резонатора; N — число резонаторов в анодном блоке.

Вносимое искажение приводит к увеличению объема резонаторов колебательной системы, следовательно, по закону подобия происходит увеличение длины волны генерации, а это крайне не желательно. Поэтому, чтобы исключить снижение частоты,

которое при больших значениях 5 о составляет 5 — 10%, необходимо уменьшить глубину всех резонаторов на некоторую постоянную величину 5 с , компенсировав тем самым увеличение глубин резонаторов. Численное значение 5 с меняется с ростом амплитуды вносимого искажения от 5 до 30% от значения этой амплитуды.

Моделирование резонансных свойств колебательной системы магнетрона осуществляется с помощью теории эквивалентных цепей с сосредоточенными параметрами. В рамках этой теории каждый резонатор представляется в виде параллельного L - C контура, а пространство взаимодействия — емкостями с' [5]. Для моделирования вывода и диссипации энергии на стенках колебательной системы эквивалентная цепь дополняется проводимостями G , включаемыми параллельно колебательным контурам, моделирующим анодные резонаторы [4, 6]. При этом проводимость Gi одного из резонаторов существенно превышает проводимости остальных, что моделирует вывод энергии (рис. 1).

0-----------------0

Рис.1. Представление резонаторов колебательной системы МПГ в виде эквивалентной цепи с сосредоточенными параметрами

РИ, 2005, № 3

Поскольку неоднородности геометрии предполагаются малыми, эквивалентные параметры для искаженной системы можно вычислить путем умножения значений эквивалентных параметров неискаженной системы на коэффициент изменения запасенной в анодном резонаторе энергии магнитной либо электрической составляющей:

L(8) = Lo

wH

wH

C(8) = C

o •

We

wE

(2)

Здесь L(5), C(5) — индуктивность и емкость; L

о,

C0 — эквивалентные индуктивности и емкости резонаторов однородной колебательной системы; wH , WE — средние значения энергий магнитного и электрического полей в неискаженном анодном резонаторе; wH , w| — средние значения энергий магнитного и электрического полей в анодном резонаторе, соответствующие измененной геометрии.

В результате ряда математических преобразований, которые детально изложены в работах [4] и [6], получим эквивалентные параметры разнорезонаторной колебательной системы в следующем виде:

Ls) = Lo

Z2(kb ',ka)

—--------X

Z2(kb,ka)

b 2 Z 2 (kb, kb) - a 2 (Z 2 (kb, ka) + Z 2 (kb, ka))

b' 2Z2(kb ',kb') - a2(Z2(kb ',ka) + Z 2(kb ',ka))

и (3)

C(5) = C0 , Zi(kb,ka) [b,2k2Z j2(kb',kb')-Z 2 (kb ',ka)

- a2k2 (Z 2 (kbka) + Z i2 (kb', ka)) +

+ Z 2 (kbka)] x [b 2k 2 Z і2 (kb, kb) -

- a2k2 (Z 2 (kb, ka) + Z ]2 (kb, ka)) + Z 2 (kb, ka)]_i ,

где Zo (kb, x) = N i (kb)Jо (x) - No (x)Ji (kb),

Z і (kb, x) = N i (kb)J i (x) - N j (x)J j (kb),

Zj ' (x) = Zo(x) - Z j(xVx, b' = b + s - параметр, описывающий продольный размер резонаторов неоднородного анодного блока, а No,N j и Jo,Jj — функции Неймана и Бесселя нулевого и первого порядка соответственно.

При этом величины емкостей сегмент-катод (C) остаются неизменными, так как вносимое искажение состоит исключительно в изменении глубины резонаторов.

Полученные таким способом эквивалентные параметры искаженной резонаторной системы используются в качестве входных данных при самосогласованном моделировании работы магнетрона на пространственной гармонике.

Применяемая модель позволяет численно моделировать методом крупных частиц магнетроны на пространственной гармонике с холодным вторич-

37

но-эмиссионным катодом и учитывает в самосогласованной форме наиболее важные физические процессы, протекающие в этих приборах. Это вторичная электронная эмиссия с холодного катода, формирование поля пространственного заряда, его влияние на траектории электронов и взаимодействие электронов с колебательной системой.

Исходными данными для проведения моделирования являются геометрия пространства взаимодействия, параметры колебательной системы, величины магнитного поля и анодного напряжения. Их можно получить непосредственно в результате измерений и расчетов, приведенных выше. Анодный ток, выходная мощность и КПД магнетрона — основные результаты моделирования. Кроме этого, модель адекватно описывает нестационарные процессы, имеющие место в начале генерации в МИГ. Существует возможность исследования распределения электронов в различные моменты времени, получения зависимостей от времени анодного тока, выходной мощности, электронной мощности и других параметров.

Детальное описание применяемой модели исследования изложено в работе [7].

3. Основные результаты исследования и выводы

Описанная выше самосогласованная модель была использована для теоретической оценки возможности повышения уровня выходной мощности, анодного тока и КПД магнетронов, генерирующих на длине волны 8 мм.

В качестве рабочего вида колебаний использовался

п /2 -1 вид с частотой ~36,5 ГГц, значения анодного напряжения, магнитного поля и тока термоэмиссии, отвечающие генерации на этой моде, были 12,8кВ, 0,5785 Т и 400 мА соответственно.

Резонаторная система магнетрона состоит из резонаторов лопаточного типа и имеет следующие характеристики: число резонаторов — 16, радиус анода — 2,25 мм, радиус катода — 1,3 мм, осевая длина—6 мм, ширина анодных резонаторов — 0,486 мм, глубина анодных резонаторов — 1,385 мм.

Используя эти параметры в качестве входных данных для самосогласованной модели работы МПГ, исследовали влияние периодических неоднородностей на основные характеристики анализируемого магнетрона.

Рассмотрим основные результаты исследования.

На рис. 2 и 3 представлены зависимости анодного тока и выходной мощности от времени для случаев, когда вносимое периодическое искажение отсутствовало (кривая 1), и когда амплитуда вносимых неоднородностей 5 о равнялась 40 мкм (кривая 2).

Из рис.2 и 3 видно, что при внесении периодических неоднородностей увеличивается время начала генерации примерно на 25 нс, а уровни анодного тока и выходной мощности снижаются.

В табл. 1 приведены значения этих параметров.

Рис. 2. Зависимости анодного тока от времени для случаев, когда вносимое периодическое искажение отсутствовало (кривая 1) и когда амплитуда вносимых неоднородностей 5 о равнялась 40 мкм (кривая 2)

Рис. 3. Зависимости выходной мощности от времени для случаев, когда вносимое периодическое искажение отсутствовало (кривая 1) и когда амплитуда вносимых неоднородностей 5 о равнялась 40 мкм ( кривая 2)

Таблица 1

Ф, рад 8 о, мкм Анодный ток, А Выходная мощность, кВт

0 0 7,96 25,49

20 7,64 24,15

40 7,39 20,45

В табл. 2 приведена зависимость основных колебательных характеристик от амплитуды вносимого искажения.

Таблица 2

Ф, рад 8 0, мкм Рабочая частота, ГГц КПД, % Контурный КПД, %

0 36,52 25,02 66,25

0 20 36,49 24,71 65,56

40 36,54 21,62 64,31

Так как на практике наблюдаются только средние значения параметров (из-за ограниченности полосы пропускания измерительных приборов), в табл. 1

38

РИ, 2005, № 3

и 2 представлены усредненные по времени значения рабочей частоты, анодного тока, выходной мощности, общего и контурного КПД рассматриваемого магнетрона.

Заметим, что в случае 50 = 20 мкм снижение рабочей частоты из-за увеличения глубины резонаторов очень слабое, поэтому константу для компенсации удлинения резонаторов колебательной системы вводить не нужно. А вот для случая, когда 5о имеет значение 40 мкм, целесообразно ввести постоянное искажение с амплитудой 5 с, равной 5 мкм. Без этой константы, согласно расчетам холодной колебательной системы, рабочая частота уменьшится на 1 %, а в случае расчетов по самосогласованной модели генерация не наступает вообще.

Дальнейшее увеличение амплитуды 5 о даже при наличии компенсационной константы 5 с, но без изменения значений анодного напряжения, магнитного поля и тока термоэмиссии не приводит к устойчивой генерации.

Изменение фазы искажения ф также приводит к увеличению времени задержки начала генерации и к незначительному снижению уровней выходных характеристик (рис. 4). Так, в случае ф =0,1 % значение выходной мощности уменьшается на ~ 1,0 кВт, а КПД—примерно на 1 %. Таким образом, фаза вносимых искажений также не приводит к повышению уровня основных выходных характеристик рассматриваемого магнетрона.

Рис. 4. Зависимости выходной мощности от времени при 5 о = 20 мкм для случаев, когда ф = 0 (кривая 1) и когда ф = 0,1 п (кривая 2).

На основе приведенных данных можно сделать вывод о том, что эффект повышения уровня выходных характеристик исследуемого МПГ при внесении в его резонаторный блок малых периодических неоднородностей, предсказываемый рас -четами его холодных характеристик [4, 6], в случае моделирования с использованием самосогласованной модели не подтверждается. Более того, наличие даже сравнительно малых неоднородностей в резонаторной системе существенно снижает значения выходной мощности, анодного тока и КПД прибора.

Главным обоснованием различия результатов, полученных в процессе проведения данного исследования, и расчетов, приведенных в [4], является то, что используемая самосогласованная модель учитывает взаимосвязь всех основных физических процессов в МПГ, в то время как модель расчетов, используемая в [4] , учитывала только колебательные свойства резонаторной системы.

Снижение значений основных выходных характеристик рассматриваемого магнетрона объясняется, по-видимому, высокой чувствительностью структуры электромагнитного поля в колебательной системе (обусловленной малыми геометрическими размерами последней) к искажению продольных размеров образующих ее резонаторов, а также изменением потерь и связи с нагрузкой обеих компонент дублета рабочего вида колебаний [2, 3].

Несмотря на то, что предполагаемый эффект увеличения значений основных выходных характеристик не подтверждается полученными результатами, нельзя говорить о бесперспективности этого исследования.

Важным аргументом в пользу проведения дальнейших исследований является то, что в случае получения положительных результатов можно будет говорить о появлении новой методики повышения уровня выходных характеристик МПГ с холодным вторично-эмиссионным катодом, которая, по сравнению с известными ранее [ 1, 3 ], более проста для практической реализации и не приводит к значительным изменениям в конструкции прибора.

Предварительные расчеты, проведенные на основе данной самосогласованной модели работы прибора, показали, что значения основных выходных характеристик рассматриваемого магнетрона сильно зависят от изменения магнитного поля (табл. 3).

Таблица 3

Магнитное поле, Т Анодный ток, А Выходная мощность, кВт КПД, %

0,5855 8,97 29,76 25,92

0,5865 8,55 28,12 25,69

0,5875 7,96 25,49 25,02

0,5885 7,74 24,42 24,65

0,5895 7,26 23,44 25,22

Остается предположить, что для улучшения существующих результатов (получения генерации при больших амплитудах вносимых искажений и достижения эффекта увеличения основных выходных характеристик магнетронов рассматриваемого типа) необходимо подобрать оптимальные значения магнитного поля, анодного напряжения и тока термо-эмиссии. Это и является основным направлением дальнейших исследований.

В заключение следует отметить, что из-за сложности физических процессов, протекающих в магнетронах на пространственной гармонике с холодным вторично-эмиссионным катодом, магнетроны данного типа практически не изучены.

РИ, 2005, № 3

39

Научная новизна данной работы заключается в том, что анализ возможности повышения уровня выходных характеристик МПГ путем внесения малых периодических неоднородностей в резонаторную систему, основанный на использовании самосогласованного моделирования работы прибора, проводился впервые.

Возрастающая потребность в магнетронах миллиметрового диапазона большой мощности делает вопрос повышения уровня основных выходных характеристик МПГ не только интересным с теоретической точки зрения, но и придает ему важное практическое значение.

Литература: 1. Крупаткин И.Г. Оптимизация параметров магнетронов, работающих в режиме пространственной гармоники / / Электронная техника. Серия I. 1972. N5. С. 86 — 89. 2. Ковалев Ю.А., Масленников Ю.В. О взаимодействии электронного потока с вырожденными модами колебательной системы магнетрона // Электронная техника. Серия I. 1969. N10. С. 28 — 33. 3. Гурко А.А. Оценка возможности повышения КПД магнетронов мм диапазона с использованием не р-видных колебаний // Радиофизика и радиоастрономия. 2000. Т.05, №1. С.86 — 88. 4. Фурсова Е.В., Ваврив Д.М., Сосницкий С.В. Управление контурным КПД не p-видных магнетронов внесением неоднородностей в колебательную систему // Радиофизика и радиоастрономия. 2004. Т.09, №3. С. 324—330. 5. Магнетроны сантиметрового диапазона. Т.1. / Под ред. С. А. Зусма-новского. М.: Сов. радио, 1950. 420 с. 6. Фурсова Е.В.,

УДК 621.391.822

ФЛІКЕР-ШУМОВА ДІАГНОСТИКА ВНУТРІШНЬОЇ СТРУКТУРИ ЕЛЕМЕНТІВ ЕЛЕКТРОНІКИ

КОЛОДІЙ 3.0.____________________________

Наводяться спектральні густини флуктуацій S(f) для комп’ютерної моделі хаотичного руху елементарних частинок. Пропонується емпіричне співвідношення для S(f) і спосіб діагностики зміни внутрішньої структури елементів електроніки за експериментально визначеним спектром шумів елемента в області низьких частот.

Постановка задачі. Електричні шуми, що реєструються на елементах електроніки (резисторах, НП-діодах, транзисторах і ін.), є не тільки недоліком самих елементів, що стає перешкодою на шляху до підвищення чутливості радіоелектронної апаратури. В багатьох випадках їх можна розглядати як сигнали, що містять інформацію про процеси, які відбуваються всередині елемента, а також про температуру елемента — генераційно-рекомбіна-ційний шум, «вибуховий» шум, тепловий шум. Тільки один тип шумів електронних елементів — флікер-шум (ФШ) — на сьогоднішній день остаточно не пов’язаний з відомими процесами в електронних елементах. Велика кількість публікацій по проблемі флікер-шумів [1-7] свідчить не стільки про їхню «шкідливість», скільки про нез’ясованість природи цих шумів.

Ваврив Д.М., Сосницкий С.В. Влияние случайных неоднородностей резонаторной системы не р- видных магнетронов на их основные колебательные характеристики // Радиотехника: 2005. Вып. 140. С. 172—179. 7. Schunemann K., Sosnytskiy S.V. and Vavriv D.M. Selfconsistent simulation of the spatial-harmonic magnetron with cold secondary-emission cathode // IEEE Transactions on Electron Devices. 2001. Vol. 48, No. 5. P. 993—998.

Поступила в редколлегию 15.06.2005

Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Погарский С.А.

Фурсова Елена Викторовна, аспирант, младший научный сотрудник отдела № 21 РИ НАНУ. Научные интересы: моделирование физических процессов в магнетронах миллиметрового диапазона. Адрес: Украина, 61002, Харьков, ул. Краснознаменная, 4, е-mail: felena@rian.kharkov.ua.

Сосницкий Сергей Викторович, канд. физ.-мат. наук, младший научный сотрудник отдела № 21 РИ НАНУ. Научные интересы: моделирование вакуумных СВЧ приборов и обработка сигналов. Адрес: Украина, 61002, Харьков, ул. Краснознаменная, 4,

е-mail: sergey@ira.kharkov.ua.

Ваврив Дмитрий Михайлович, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий отделом № 21 Радиоастрономического института НАН Украины. Научные интересы: вакуумные СВЧ приборы, обработка сигналов и нелинейные явления. Адрес: Украина, 61002, Харьков, ул. Краснознаменная, 4, е-mail: vavriv@rian.kharkov.ua.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Більшість висновків, що містяться в опублікованих дослідженнях, пов’язують виникнення ФШ з внутрішніми дефектами матеріалів та широким набором часів релаксації [1-3]. Однак жоден із запропонованих аналітичних виразів для опису спектральної густини ФШ S(f) не має стовідсоткового експериментального підтвердження. Навіть відоме емпіричне співвідношення Hooge

R 2

S(f) =----* а , (1)

v 7 N*f

де S(f) — спектральний розподіл густини флуктуації опору дослідного зразка; R — середнє значення електричного опору зразка; N — сумарна кількість носіїв заряду в зразку; а — стала Hooge ( безрозмірна величина), може бути застосоване, в основному, для опису ФШ в однорідних металічних зразках [4]. Що ж до напівпровідникових структур, то розбіжність експериментальних результатів з розрахунками за формулою (1) дає похибку переважно більше 100% [5, 6]. Крім того, формула (1) не пов’язана із параметрами структури елемента, а проведені останні дослідження ФШ вказують на те, що ФШ є структурно-чутливими шумами [7].

Мета роботи. Метою проведеної роботи є перевірка гіпотези про те, що ФШ (або флуктуації, що мають форму ФШ) виникають в системах, які перебувають в нерівноважному стані, та встановлення зв’язку між параметрами системи і спектральною густиною ФШ.

40

РИ, 2005, № 3