CC BY
21имитировать линию передачи любым количеством цепей и звеньев. Также будет действовать правило: чем больше цепей и звеньев, тем точнее имитация неоднородности поверхности.
При этом в местах, где на пути цепочки встречается паз размером меньше, чем звено цепи, то вместо разрыва в цепочке будем рассчитывать КЬСв-характеристики звена с использованием коэффициентов коррекции согласно разработанной математической модели.
Если вывести балансные уравнения по законам Кирхгофа для вычисления характеристик линии передачи по такой эквивалентной схеме, то они будут выглядеть следующим образом:
п ИП п г!Т п
= -Уь — -Т/уку ,
у=1 иЛ у=1 ш у=1
УШУ = Ус ИП УТ
у = 1 иХ у = 1 Ш у = 1
Полученные уравнения, которые представляют собой аналоги телеграфных уравнений [4], будут являться базовыми для численного метода анализа распространения сигналов в линии передачи.
Полученный численный метод позволяет значительно сократить время расчета характеристик линии передачи с учетом анизотропности ее проводимости вследствие неоднородности поверхности по сравнению с полноволновыми электромагнитными методами вычисления [5], а также позволяет повысить точность расчета по сравнению с типовой цепьевидной эквивалентной КЬСв-схемой.
Библиографические ссылки
1. Зырин И. Д., Карабан В. М., Сунцов С. Б. Обзор возможностей математического моделирования шероховатости поверхности низкотемпературной керамики // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии : 23-я Междунар. Крымская конф. (КрыМиКо'2013). Севастополь, 2013. С. 181-182.
2. Демирчян К. С., Нейман Л. Р. Теоретические основы электротехники : учебник для вузов. 5-е изд. СПб. : Питер Пресс, 2009. 463 с.
3. Кечиев Л. Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М. : Группа ИДТ, 2007. 616 с.
4. Новиков Ю. Н. Электротехника и электроника. Теория цепей и сигналов, методы анализа : учеб. пособие. СПб. : Питер, 2005. 384 с.
5. Зырин И. Д., Карабан В. М. Вычислительное моделирование влияния шероховатости поверхности СВЧ-коммутационных плат на основе LTCC // Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки : материалы III междунар. научно-практ. конф. / Fundamental science and technology - promising developments III. spc Academic: North Charleston, USA. 2014. Vol. 1. P. 113-115.
References
1. Zyrin I. D., Karaban V. M., Syncov S. B. Research mathematical models surface roughness applied to the ceramic circuit boards. [Obzor vozmozhnostey mate-maticheskogo modelirovaniya sherokhovatosti poverkhnosti nizkotemperaturnoy keramiki]. 23nd int. Crimean Conf. "Microwave & Telecommunication Technology" (CriMiCo'2013). Sevastopol, 2013, pp. 181-182. (In Russ.)
2. Demirchyan K. S., Neyman L. R. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki. Uchebnik dlya vuzov. 5 izdanie. [Theoretical Foundations of Electrical Engineering. Textbook for high schools. 5th ed]. St. Petersburg, Piter Press, 2009, 463 p.
3. Kechiev L. N. Proektirovanie pechatnykh plat dlya tsifrovoy bystrodeystvuyushchey apparatury. [Design of printed circuit boards for high-speed digital equipment]. Moskow, Gruppa ITD, 2007, 616 p.
4. Novikov Yu. N. Elektrotekhnika i elektronika. Te-oriya tsepey i signalov, metody analiza: Uchebnoe poso-bie. [Electrical engineering and electronics. Circuit theory and signal analysis methods: the manual]. St. Petersburg, ZAO izdatel'skiy dom "Piter", 2005, 384 p.
5. Zyrin I. D., Karaban V. M. The computer simulation of the surface roughness of microwave communication boards based on LTCC [Vychislitel'noe modelirovanie vliyaniya sherokhovatosti poverkhnosti SVCh-kommutatsionnykh plat na osnove LTCC]. Materialy III mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Fundamental'naya nauka i tekhnologii -perspektivnye razrabotki» [Fundamental science and technology - promising developments III]. spc Academic: North Charleston, USA. 2014. Vol. 1. pp. 113-115. (In Russ.)
© Зырин И. Д., Карабан В. М., Сунцов С. Б., 2015
УДК 621.3(075.3)
СВЧ-КВЧ ГЕНЕРАЦИЯ НА ОСНОВЕ КВАНТОВО-ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ
ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ
Б. Н. Казьмин, И. В. Трифанов, Д. Р. Рыжов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-таП: [email protected]
Показана возможность построения высокоэффективной электроэнергетической технологии на энергетике электронных пучков и генерации колебаний СВЧ-КВЧ диапазонов на основе квантово-волнового дуализма электронных пучков и использования таких генераторов в космических радиосистемах, что даст возмож-
Решетнеескцие чтения. 2015
ность повысить их энергетическую эффективность, надежность, дальность, помехоустойчивость и в целом качество космической радиосвязи.
Ключевые слова: ионизация рабочей среды, поток низкотемпературной плазмы, формирование электронных пучков, электрическая мощность заряженного пучка, квантово-волновой дуализм заряженных пучков, барьер электронов, генерация квантов эквивалентных энергии электронов.
MICROWAVE - EHF GENERATION ON THE BASIS OF QUANTUM-WAVE PROCESS
OF ELECTRON BEAMS
B. N. Kazmin, I. V. Trifanov, D. R. Ryzhov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The article studies possibility of building a high-performance electric power technology on energy electron beam and generate microwave oscillations - EHF-based quantum wave-particle duality of electron beams and the use of such generators in space radio systems, which will give an opportunity to improve their energy efficiency, reliability, range, noise immunity and overall quality space radio.
Keywords: ionization of the working environment, the flow of low-temperature plasma, the formation of electron beams, electric power charged beam, quantum wave-particle duality of the charged beam barrier of electrons, photons generated equivalent energy of the electrons.
Электронные пучки, формируемые с помощью электронных пушек из низкотемпературной плазмы [1], можно представить в виде кантово-волновых процессов, описываемых с помощью четырехмерного уравнения Шредингера [2]:
jhdy / dt =
= -h2 /2тг (д2у/ dx2 + д2у / ду2 +д2у / dz2). (1)
Решение этого уравнения показывает спектр колебаний четырехмерной волновой функции Шредингера: Vк,у,z,t = exp( j / Й)(Рк • к + +Py • У + Pz • z - St):
У к, у, z,t = CA eXP j (K1x, у, z • V у, z - ®1t) + _
(2)
+ C2 e2 eXP j (K2к ,у,z ' ^2x,у,z ®2t) + ...,
здесь С и С2 - вероятности энергетического уровня частицы; е12 = Йю12 = hf 2 = miUj22 /2 = eUуп - энергетический уровень частицы, получаемый в ускоряющем поле анода Ua электронной пушки, а также за счет сил Кулона и Лоренца в электронном пучке. Электроны в электронном пучке получают одинаковый ускоряющий потенциал U^, поэтому их энергетический уровень в первом приближении можно считать одинаковым; mt - масса частицы; Px z = miиx z - импульс частицы, вектор скорости и их проекции на
оси; Kк,у,z = 2п / 1х,у,z = = Ю / ик,у,z = рк,у,z / h - волновой коэффициент и длина волны соответственно; h = 2%h - постоянная Планка.
Функциональная схема устройства [3], осуществляющего генерацию СВЧ-КВЧ колебаний, представлена на рисунке. Устройство содержит плазмотрон 1 с электродуговым катодом Kg и анодом Ag (возможно применение плазмотрона с термокатодом, фотокатодом, индукционным катодом, катодом на основе СВЧ-
разряда, оптического разряда и др. [1]); электронные пушки 2 с аксиальными выходными анодами АЭП; электроды 4 сжимающего электрического поля. Электроды 4 выполнены из материала, являющегося проводником первого рода. Они имеют осевую рабочую полость 5 с двойным электрическим слоем, причем входная часть рабочей полости выполнена со сходящейся конусностью, а выходная часть имеет цилиндрическую форму. Сжимающее электрическое поле, которое уплотняет электронный пучок в поперечном сечении, можно получить с помощью электрических, магнитных квадрупольных электронных линз. Кроме того, устройство содержит металлические обкладки 6, которые совместно с электродами 4 и изоляторами 7, расположенными между обкладками 6 и электродами 4, представляют собой конденсаторы С_6, электроды 8 корректирующего напряжения, барьеры электронов 9, состоящие из диэлектрического 9дс, который может быть выполнен из нанокомпозитного материала (НКМ) и электропроводящего 9эс слоя, каналы 10 электромагнитных квантов СВЧ-диапазона, в качестве которых могут быть применены волноводы, резонаторы, световоды и др.; симметричный силовой трансформатор-преобразователь (СТП) 11, имеющий среднюю точку 12, соединенную с катодом К электродугового плазмотрона 1; систему электропитания 13 с циклической рабочей частотой юр. Конденсаторы С4-6 соединены последовательно с индук-тивностями Ь1 СТП 11, аноды АЭП электронных пушек 2 соединены с резонансными контурами Ь2Ср, а электроды 8 корректирующего напряжения соединены с частью обмотки индуктивности Ь2 СТП 11.
Работает данное устройство следующим образом. Необходимое напряжение подают на анод Аг и катод К плазмотрона 1, герметичный объем которого заполнен рабочей средой.
Щ
Функциональная схема устройства, генерирующего СВЧ-КВЧ колебания на основе квантово-волновых явлений в электронных пучках
Одновременно на аноды электронных пушек 2 подают переменное напряжение рабочей частоты ар. Происходит ионизация рабочей среды электрической дугой между электродами дуги Аг и Кг в ортогонально направленном поле дуги (скрещенным с полем дуги) электрическом анодном поле АЭП электронных пушек 2, которым выводят из области электрической дуги электроны, при этом ускоряют и модулируют пучки электронов 3, воздействуя переменным напряжением иа с циклической рабочей частотой ар, подаваемым в противофазе на выходные аноды АЭП электронных пушек 2.
Затем пучки сжимают в радиальном сечении электрическим полем Ег в рабочей полости 5. Напряженность электрического поля двойного электрического слоя в 102-103 раз больше напряженности поля электронного пучка, поэтому плотность заряда, энергия электронного взаимодействия, создаваемая силами Кулона и Лоренца, и мощность электронного пучка повышаются в dвх / dвЬIX раз, где dвх и dвЬIX - диаметры, соответственно, входного и выходного отверстий рабочей полости 5, имеющей двойной электрический слой.
После этого на электронные пучки воздействуют электрическим полем, созданным на электроде 8 корректирующим напряжением (ик), снимаемым с части обмотки Ь2. Коррекцией напряжения Пк можно управлять параметрами СВЧ-квантов, например, длиной волны ХСВЧ.
Генерация сигналов СВЧ и КВЧ трафика на основе квантово-волновой модели процессов плазменно-элект-ронной электроэнергетической технологии (ПЭЭТ)
дает возможность существенно повысить энергетическую эффективность, дальность радиосвязи, надежность и другие параметры радиотрафика [3; 4] космического аппарата (КА).
Библиографические ссылки
1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы : в 4 т. / под ред. В. Е. Фортова. М. : Наука, 2000.
2. Большой энциклопедический словарь. Физика. М. : Большая российская энциклопедия, 1998.
3. Патент РФ № 2551371, МПК H03B 7/10, H01S 3/10. Способ генерации СВЧ-квантов / Казьмин Б. Н., Трифанов И. В., Рыжов Д. Р. и др.
4. Принципы построения электроэнергетических и электродинамических технологий космических аппаратов / Б. Н. Казьмин, И. В. Трифанов, Д. Р. Рыжов и др. ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. 182 с.
References
1. Entsiklopediya nizkotemperaturnoy plazmyi: v 4 t. / Pod red. V. E. Fortova, M. : Nauka, 2000.
2. Bolshoy entsiklopedicheskiy slovar, fizika, M., «Bolshaya rossiyskaya entsiklopediya», 1998.
3. Patent RF # 2551371, MPK H03B 7/10, H01S 3/10. Sposob generatsii SVCh kvantov / Kazmin B. N., Trifanov I. V., Ryizhov D. R. i dr.
4. Printsipy postroeniya elektroenergeticheskih i elektrodinamicheskih tehnologiy kosmicheskih apparatov // Kazmin B. N., Trifanov I. V., Ryizhov D. R. i dr. Krasnoyarsk : Sib. gos. aerokosmich. un-t, 2015. 182 s.
© Казьмин Б. Н., Трифанов И. В., Рыжов Д. Р., 2015
