Разработка численных моделей физических процессов в магнетронах см- и мм-диапазона и комплекса программ на их основе

• Автор: Гурьев, Иван Константинович
• Шифр специальности: 05.13.18, 05.27.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 115 с. : ил.

1. ОСНОВНЫЕ МОДЕЛЬНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

1.1. Постановка задачи.

1.2. Расчет амплитуд пространственных гармоник

высокочастотного потенциала

1.3. Анализ полученных соотношений.

1.4. Расчет напряженностей ВЧ полей и решение уравнений

возбуждения.

1.5. Расчет полей пространственного заряда и электростатических

полей с учетом разрезной структуры анода.

2. ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА МОДЕЛИ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

2.1. Описание электронного облака

2.2. Методика моделирования эмиссии
2.3. Описание электрических и магнитных полей
2.4. Методика моделирования, алгоритм и организация программы
2.5. Проверка сходимости, устойчивости и адекватности модели.
3. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В п ВИДНЫХ МАГНЕТРОНАХ САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА.
3.1. Постановка задачи.
3.2. Анализ влияния разрезной структуры анода на процессы в
магнетроне
3.3. Исследование влияния ширины щели на выходные
характеристики магнетрона
3.4. Анализ влияния эмиссионных характеристик катода на
выходные характеристики
3.5. Анализ возбуждения в магнетроне побочных видов колебаний
3.6. Оптимизация конструкции параметров магнетрона с целью
повышения КПД и обеспечения стабильности работы
3.7. Выводы.
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАГНЕТРОНАХ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА,
РАБОТАЮЩИХ НА МИНУС ПЕРВОЙ ГАРМОНИКЕ
4.1. Постановка задачи
4.2. Анализ особенностей работы магнетрона на гармониках
основного вида колебаний
4.3. Анализ влияния параметров разрезной структуры на выходные характеристики магнетронов ммдиапазона.
4.4. Анализ электронного облака в магнетронах ммдиапазона
4.5. Анализ путей увеличения КПД, исследование влияния термоэмиссионных характеристик
4.6. Влияние вторично эмиссионных характеристик па КПД
магнетронов ммдиапазона
4.7. Анализ влияния на электронное облако неоднородного по
радиусу магнитного поля.
4.8. Выводы.
5. АНАЛИЗ МАГНЕТРОНОВ ММДИАПАЗОНА,
РАБОТАЮЩИХ НА ДРУГИХ ГАРМОНИКАХ ОСНОВНОГО
ВИДА КОЛЕБАНИЙ
5.1. Постановка задачи
5.2. Анализ зависимости амплитуд высших гармоник от номера
вида колебания
5.3. Сравнительный анализ магнетронов ммдиапазона,
работающих на плюс первой и минус первой гармониках.
5.4. Анализ магнетронов ммдиапазона, работающих на плюс первой гармонике, при вариации эмиссионных характеристик
5.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Разработанные на основе математической модели программы расчетов успешно внедрены в практику проектирования магнетронных генераторов мм и смдиапазона о чем имеются 5 актов внедрения. Численные расчеты позволили сократить количество промежуточных экспериментальных макетов и стоимость разработки. Научная новизна работы. Предложена математическая модель магнетрона, отличающаяся от ранее известных учетом следующих факторов влияния разрезной структуры анодного блока, наличия стоячих волн, наличия пространственных гармоник, конкуренции видов колебаний. На основе предложенной математической модели разработано программное обеспечение, позволяющее проводить расчет и оптимизацию магнетронов см и ммдиапазона длин волн с учетом большего числа конструктивных параметров, чем существующие аналоги. Методами компьютерных экспериментов выявлены принципиальные отличия различных модификаций магнетронов смдиапазона и ммдиапазона, заключающиеся, в частности, в различном влиянии на выходные характеристики ширины щели резонаторов, эмиссии катода, конкуренции паразитных видов. Показано, что в случае моделирования процессов в магнетронах ммдиапазона учет разрезной структуры анодного блока позволяет существенно повысить точность расчета выходных параметров мощности, КПД и др Установлено также, что в случае моделирования магнетронов смдиапазоиа учет разрезной структуры анода не столь существенен. Показано, что увеличение эмиссии в приборах ммдиапазона позволяет увеличить КПД за счет уменьшения паразитного нулевого тока, а в приборах смдиапазона практически не влияет на выходные характеристики. Показано, что в магнетронах ммдиапазона высоковольтный побочный вид практически не влияет на ток срыва рабочего вида колебаний, в то время как наличие низковольтного побочного вида определяет нижнюю границу по току генерации рабочего вида. Методами компьютерных экспериментов проведен сравнительный анализ преимуществ и недостатков модификаций магнетронов ммдиапазона, работающих на минус первой гармонике произвольного вида колебаний и на плюс первой гармонике гвида. Математическая модель магнетронного генератора, основанная на численных методах решения основных уравнений, отличающаяся учетом разрезной структуры анодного блока, наличием пространственных гармоник и конкуренции видов колебаний. Комплекс программ, позволяющий проводить расчет выходных характеристик и анализ процессов электронноволнового взаимодействия с целью оптимизации конструктивных параметров магнетронов не только смдиапазона, но и ммдиапазона, работающих на высших пространственных гармониках рабочего вида колебаний. ВЧ полями, уменьшению паразитного нулевого тока и повышению КПД, а в магнетронах смдианазона практически не влияет на КПД. Увеличение ширины щели резонатора магнетрона приводит к уменьшению КПД прибора вследствие понижения эффективного значения потенциала на уровне анода и залета электронов в щели резонатора. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. В первой главе изложены основные уравнения, лежащие в основе модели магнетрона, и методы их решения. Модель основана на совместном решении системы уравнений уравнения движения, уравнение Лапласа, уравнение Пуассона, волновое уравнение, уравнения возбуждения и другие. При решении уравнений кроме двумерного приближения принимались следующие допущения квазистационарное приближение фазовая скорость волны много меньше скорости света, не учитываются релятивистские эффекты, магнитные ВЧ поля и магнитные поля, обусловленные движением электронов. Электронное облако или электронный поток моделируется с помощью метода крупных частиц. Вместо отдельных электронов рассматривается набор крупных частиц как правило, в количестве 0 частиц, имеющих такое же отношение заряда к массе, как у электрона. Модель можно охарактеризовать как двумерную многопериодную процессы анализируются в неподвижных координатах во всем рабочем пространстве и многоволновую анализируется возможность возбуждения разных видов колебаний и их конкуренция. Основными отличиями модели от ранее известных является учет пространственных гармоник ВЧ поля, обусловленных разрезной структурой анода.