Главная » 2014»Август»7 » Скачать Многоволновая трехмерная модель амплитрона и ее применение. Леванде, Алексей Борисович бесплатно
00:59
Скачать Многоволновая трехмерная модель амплитрона и ее применение. Леванде, Алексей Борисович бесплатно
Многоволновая трехмерная модель амплитрона и ее применение
Диссертация
Автор: Леванде, Алексей Борисович
Название: Многоволновая трехмерная модель амплитрона и ее применение
Справка: Леванде, Алексей Борисович. Многоволновая трехмерная модель амплитрона и ее применение : диссертация кандидата физико-математических наук : 05.13.18 Саратов, 2004 187 c. : 61 05-1/385
Объем: 187 стр.
Информация: Саратов, 2004
Содержание:
1 МНОГОВОЛНОВАЯ ТРЕХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ АМПЛИТРОНА
11 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
12 АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ М-ТИПА И ТРЕБОВАНИЯ к РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ МОДЕЛИ
13 ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ МОДЕЛИ
14 РЕАЛИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ УРАВНЕНИЙ МОДЕЛИ ЧИСЛЕННЫМИ МЕТОДАМИ
15 МЕТОД ВИЗУАЛЬНОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ КОНФИГУРАЦИИ ЭЛЕКТРОННОГО ОБЛАКА
16 АЛГОРИТМ И ОБЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОГРАММЫ РАСЧЕТОВ
17
Выводы
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ АМПЛИТРОНА В НОМИНАЛЬНОМ И ПРЕДЕЛЬНОМ РЕЖИМАХ
21 АНАЛИЗ СХОДИМОСТИ МОДЕЛИ ПРИ УСТАНОВЛЕНИИ СТАЦИОНАРНОГО РЕЖИМА
22 АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ВАРИАЦИИ СЛУЖЕБНЫХ ПАРАМЕТРОВ
23 ИССЛЕДОВАНИЕ АДЕКВАТНОСТИ МОДЕЛИ В НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ
24 ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ в ПРЕДЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ
241 Особенности моделирования режима срыва усиления
242 Методика оперативного определения параметров срыва усиления
243 Исследование устойчивости модели при моделировании режима срыва усиления
25 Выводы
3 ПРИМЕНЕНИЕ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НОМИНАЛЬНЫХ И ПРЕДЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АМПЛИТРОНА
31 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ АМПЛИТРОНА НА ГРАНИЦЕ ПОЛОСЫ УСИЛЕНИЯ
311 Анализ процесса начала режима усиления
312 Анализ процесса срыва усиления
32 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭМИССИОННЫХ СПОСОБНОСТЕЙ КАТОДА НА РАБОТУ АМПЛИТРОНА
321 Анализ влияния термоэмиссионной характеристики катода на работу амплитрона
322 Анализ влияния вторичноэмиссионной характеристики на работу амплитрона
323 Исследование работы амплитрона с катодом со смешенными эмиссионными характеристиками
33 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НА РАБОТУ АМПЛИТРОНА АКСИАЛЬНОЙ И РАДИАЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ СТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
331 Анализ влияния неоднородности электростатических полей
332 Анализ влияния неоднородности магнитного поля
34 Выводы
4 ПРИМЕНЕНИЕ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОВОЛНОВЫХ ЯВЛЕНИЙ В АМПЛИТРОНЕ
41 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАССОГЛАСОВАННОЙ НАГРУЗКИ НА РАБОТУ АМПЛИТРОНА
411 Анализ влияния амплитудной характеристики отраженной волны на работу амплитрона
412 Анализ влияния фазовой характеристики отраженной волны на работу амплитрона
42 ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛЕНИЯ ДВУХЧАСТОТНОГО СИГНАЛА
421 Исследование усиления двухчастотного сигнала в зависимости от разницы их частот
422 Исследование влияния конкуренции на усиление низковольтного сигнала
423 Исследование влияния конкуренции на усиление высоковольтного сигнала
424 Исследование усиления двухчастотного сигнала в зависимости от соотношения мощностей на входе
43 Выводы
Введение:
Магнетронные усилители, в том числе и амплитроны, нашли широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре. Создание новых типов этих электронных приборов, отвечающих постоянно растущим требованиям, возможно лишь при наличии адекватных математических моделей, позволяющих анализировать процессы в приборе и прогнозировать его выходные характеристики с учетом реальных условий эксплуатации, В отличие от магнетрона, в амплитроне амплитуда ВЧ поля замедляющей системы зависит от угловой координаты, что существенно усложняет математическое описание нелинейных процессов в приборе.Амплитроны начали создаваться с конца 50-х годов прошлого столетия.До конца 1980-х годов при их разработке применялись в основном приближенные анапитические модели, использующие различные модификации метода эквивалентных магнетронов [11, 23-25, 62, 63, 71]. Развитие вычислительной техники дало возможность перейти к компьютерному, существенно более строгому моделированию, основанному на численных методах решения [64, 65, 75-77, 97]. Но и при компьютерном моделировании приходится идеализировать прибор, модель которого строится с использованием ряда допущений и упрощений.Одним из наиболее серьезных допущений является одноволновое приближение, при котором моделирование проводится с учетом только основной ВЧ волны («рабочего вида»). В рамках строго численного моделирования из всего многообразия многоволновых явлений рассматривались лишь режимы двухчастотного усиления, когда на вход прибора подавались два сигнала. Вне расСхМотрения остаются вопросы конкуренции рабочего вида с нерабочими, паразитными видами колебаний, обусловленными «реалиями», свойственными самому прибору.Следует также отметить, что при моделировании амплитрона, как правило, используется двумерное приближение. Однако для ряда конструкций. особенно для приборов с малой высотой пространства взаимодействия, где трехмерные явления оказывают существенное влияние на условия »* формирования электронного потока, такой подход становится недостаточным и требует применения трехмерных моделей.В большинстве теоретических исследований рассматривается работа амплитрона лишь при номинальных значениях анодного тока и на частотах, соответствующих центру рабочего диапазона. Между тем работа прибора осуществляется в достаточно широком диапазоне частот, а при эксплуатации значение его анодного тока может изменяться в весьма широких пределах.Поэтому для проектирования требуется такое моделирование, которое ^ позволяло бы определить границы рабочей области анодных токов, а также выявлять причины, ограничивающие рабочий диапазон частот.Таким образом, существующие модели амплитрона не позволяют проводить исследования и прогнозировать электрические характеристики реальных конструкций приборов в реальных условиях эксплуатации в тех объемах, которые необходимы на практике.Поэтому разработка математической модели амплитрона, учитывающей условия, которые возникают в реальных конструкциях, и реальные факторы его эксплуатации (такие как возбуждение побочных видов колебаний, отражение от . несогласованной нагрузки, процессы срыва колебаний, осевая неоднородность электрических и магнитных полей), а также позволяющей исследовать работу прибора, кроме номинальных, в граничных режимах, является актуальной задачей. Естественно, ее решение возможно только при использовании современных средств вычислительной техники.Цель и основные задачи диссертационного исследования '• Целью диссертационной работы является создание численной многоволновой трехмерной модели амплитрона, позволяющей учитывать факторы, действующие в реальных конструкциях прибора, разработка методов моделирования режимов, ограничивающих работу амплитрона при изменении как анодного тока, так и частоты входного сигнала, а также исследование электрических характеристик амплитрона в широком интервале изменения исходных (электродинамических, эмиссионных, конструктивных, электрических и др.) параметров.Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи: 1. Разработать двумерный и трехмерный варианты многоволновой модели амплитрона, исследовать адекватность и сходимость модели.2. Смоделировать режим срыва усиления в амплитроне и разработать методику определения электрических параметров прибора в этом режиме.3. Исследовать фаницы области рабочих анодных токов амплитрона в зависимости от параметров, характеризующих пространство взаимодействия, замедляющую систему, эмиттер и электрический режим работы прибора, частоты входного сигнала, и определить причины, ограничивающие рабочий диапазон частот.4. Исследовать влияние осевой неоднородности магнитного и электрического поля на значения электрических параметров амплитрона в номинальном режиме и в режиме срыва усиления.5. Исследовать влияние отраженной волны от рассогласованных выводов энергии и нагрузки на выходные характеристики амплитрона.6. Исследовать взаимное влияние ВЧ волн с разными частотами.Объект исследования Объектом исследования являются процессы электронно-волнового взаимодействия в скрещенных полях применительно к амплитрону усилителю М-типа обратной волны с замкнутым пространством взаимодействия.Методы исследования Численные методы решения дифференциальных уравнений: метод конечных разностей, метод крупных частиц, метод Хокни, быстрое преобразование Фурье, метод однородного поля и другие.Научная новизна работы 1. Создана трехмерная многоволновая численная модель амплитрона, позволяющая исследовать влияние на работу прибора и его электрические характеристики ВЧ волн замедляющей системы, отличных от рабочего вида, а также осевой неоднородности электрических и магнитных полей в пространстве взаимодействия.2. Предложен метод послойной визуализации трехмерного электронного облака, позволяющий проводить детальный анализ его структуры в динамике.3. Выявлены особенности численного моделирования режима срыва усиления амплитрона, а именно зависимость флуктуации результатов от исходных данных; предложена методика оперативного определения значений электрических параметров прибора в этом граничном режиме при моделировании.4. Проведено численное моделирование для определения верхней фаницы рабочей области анодных токов и ее зависимости от уровня и частоты входного сигнала, осевой неоднородности магнитного поля, электродинамических, эмиссионных и других параметров.5. Исследовано взаимодействие с электронным потоком отраженной волны, распространяющейся по замедляющей системе амплитрона, и определена степень ее влияния на выходные характеристики амплитрона.Научная ценность и практическая значимость работы Научная ценность работы состоит в том, что предложены модель и методики расчета, позволяющие анализировать работу амплитрона с учетом факторов, действующих в реальных конструкциях и реальных условиях эксплуатации, в частности при изменении параметров электрического режима, рассогласовании выводов энергии и нагрузки, возбуждении нерабочих видов колебаний, неоднородности электрических и магнитных полей.Практическая значимость работы заключается в том, что разработанная численная модель и созданное программное обеспечение позволяют прогнозировать значения электрических параметров вновь проектируемых амплитронов на всех этапах их разработки, а также уже созданных приборов при изменении условий их эксплуатации.Достоверность результатов и выводов обусловлена фундаментальностью исходных уравнений и законов, используемых для построения математических моделей, корректностью упрощающих допущений, применением апробированных в современной СВЧ технике методов моделирования, совпадением полученных результатов с экспериментальными данными и их соответствием физическим представлениям о работе амплитрона.Основные результаты и положения, выносимые на защиту: - предложенная численная модель амплитрона, позволяющая анализировать предельные режимы, а также многоволновые и многочастотные явления адекватно эксперименту и с учетом таких факторов, как рассогласованность выводов энергии и нагрузки, наличие видов колебаний, конкурирующих с рабочим видом, аксиальная неоднородность электрических и магнитных полей и др.; - предложенный метод визуализации трехмерного электронного облака, представленного набором «крупных» частиц, позволяющий исследовать • внутреннюю структуру электронного облака и выявлять участки с пониженной и повышенной плотностью пространственного заряда; - срыв усиления в амплитроне обусловлен отрывом электронных спиц от анода под входными ячейками замедляющей системы; - осевая неоднородность электрических и магнитных полей в первую очередь сказывается на электрических параметрах амплитрона в режиме срыва усиления; - отраженная от вывода ВЧ энергии амплитрона волна не оказывает * заметного влияния на усиление входного сигнала, а ее амплитуда при распространении от выхода к входу остается практически неизменной; - подача на вход амплитрона «второго» сигнала приводит к сужению области усиления как по току, так и по напряжению; это влияние увеличивается при уменьшении частотной отстройки и увеличении уровня «второго» сигнала.Содержание работы Описанию многоволновой трехмерной модели амплитрона посвящена
