авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Математические модели, численные методыи комплекс проблемно-ориентированных программ анализа усилителей магнетронного типа цилиндрической конструкции

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЗЯБЛОВ Антон Сергеевич

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ модели, численные методы
и комплекс проблемно-ориентированных программ анализа усилителей магнетронного типа цилиндрической конструкции

Специальности: 05.13.18 – Математическое моделирование,
численные методы и комплексы программ
05.27.02 – Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Саратов 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО
«Саратовский государственный технический университет»
и ОАО «Научно исследовательский институт Тантал»

Научные руководители доктор физико-математических наук, профессор Байбурин Вил Бариевич


доктор технических наук
Ляшенко Александр Викторович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор
Сивяков Борис Константинович

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник

Неганов Валерий Алексеевич

Ведущая организация ОАО «НПП «Контакт», г. Саратов

Защита диссертации состоится 25 мая 2011 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.08 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат размещён на сайте Саратовского государственного технического университета www.sstu.ru « 14 » апреля 2011 г.


Автореферат разослан « 14 » апреля 2011 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета Терентьев А.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Известно, что процессы электронно-волнового взаимодействия, протекающие в системах со скрещенными полями, отличаются существенно нелинейной динамикой, не поддающейся аналитическим методам.

Математическое моделирование указанных систем связано с численным решением системы уравнений, включающей уравнения Лапласа, Пуассона, волновое уравнение, уравнения движения и возбуждения.

Несмотря на обширную библиографию, включающую работы большого числа зарубежных и отечественных авторов (П.Л.Капица, Р.З.Сагдеев, Л.А.Арцимович, А.С. Рошаль, Г.Г. Моносов, С.И. Ширшин, В.Б. Байбурин и др.), научная и практическая значимость исследования процессов в скрещенных полях для таких областей как астрофизика, физика плазмы, электроника и др., приобретает все большую актуальность.

В частности, это связано с практически важным классом систем со скрещенными полями, представленными усилителями магнетронного типа, нашедшими широкое применение в системах связи и радиолокации.

Известные численные методы и построенные на их основе проблемно ориентированные программы не учитывают волны, отраженные от выхода усилителя и переотраженные от входа, а также возможность возникновения побочных колебаний, на частотах отличных от частоты основного усиливаемого сигнала. Указанные факторы определяют области ограничения режимов усилителей (область рабочих токов, устойчивость колебаний и т.д.). Изложенное определило следующую цель работы.



Цель работы: разработка математических методов моделирования электронно-волновых процессов в усилителях со скрещенными полями, учитывающих отражения от ввода и вывода энергии, наличие побочных видов колебаний, их конкуренцию с основным видом колебания, и их применение для исследования физических закономерностей в магнетронных усилителях разных типов.

Для достижения цели работы были решены следующие задачи:

  1. Развитие математических методов многоволнового моделирования электронно-волновых процессов в цилиндрических усилителях со скрещенными полями разных типов (прямой и обратной волны, с пространством дрейфа и холостой ячейкой), в том числе и работающих в режиме генерации.
  2. Разработка алгоритмов учета в модели отраженных и переотраженных волн, возбуждение побочных видов и их конкуренции с рабочим видом колебаний.
  3. Создание математической модели магнетронных усилителей, учитывающей перечисленные эффекты, и программного обеспечения на ее основе.
  4. Применение разработанной модели для исследования электронно-волновых процессов в рабочих и граничных (срыв усиления) режимах в магнетронных усилителях; исследования процесса возбуждения побочных видов колебаний, их конкуренции с рабочим сигналом и их влияния на границы усиления по анодному току и напряжению; моделирования работы магнетронных усилителей в генераторном режиме.

Методы исследования. Результаты диссертационной работы получены путем компьютерных исследований с помощью разработанной модели и натурных экспериментов. Численное решение основных уравнений модели проводилось с помощью метода «сеток», метода Хокни (при решении уравнения Пуассона), метода крупных частиц и метода однородного поля (при решении уравнений движения) и других методов.

Достоверность. Достоверность полученных результатов основана на корректном применении методов численного моделирования и адекватности их натурным экспериментам.

Научная и практическая значимость. Научная значимость заключается в том, что разработанные методы моделирования процесса возбуждения побочных видов колебаний и их конкуренции позволяют проводить качественный и количественный анализ физических процессов, ранее находившихся за пределами компьютерных исследований.

Практическая значимость работы заключается в следующем. Разработанные на основе математической модели программы расчетов успешно внедрены в практику проектирования магнетронных усилителей – амплитронов (платинотронов в режиме усиления), усилителей прямой и обратной волны М-типа (о чем имеются 3 акта внедрения). Численные расчеты позволили сократить количество промежуточных экспериментальных макетов и стоимость разработки. Результаты работы использовались в учебном процессе в дисциплинах «Компьютерное моделирование», «Проблемно-ориентированное моделирование».

Научная новизна работы.

  1. Развита математическая модель динамических процессов для различного типа усилителей со скрещенными полями, основанная на совместном решении уравнений Лапласа, Пуассона, волнового уравнения, уравнений движения и возбуждения, отличающаяся возможностью учета отраженных и переотраженных волн, побочных колебаний и позволяющая описать рабочие характеристики усиления и граничные режимы.
  2. Впервые предложена численная модель стабилотрона, позволяющая исследовать протекающие в нем физические процессы и проводить расчет его характеристик.
  3. Предложен метод совместного решения уравнений модели, основанный на методе крупных частиц, приближении однородного поля, заключающийся в определении самосогласованного режима при одновременном учете как ВЧ волны, обусловленной входным сигналом, так и волн, возникших в результате отражений от устройств входа и выхода усилителя.
  4. Разработан комплекс проблемно ориентированных программ, реализующий предложенную математическую модель для расчета и анализа приборов со скрещенными полями: амплитрона, ультрона и усилителей прямой и обратной волны с пространством дрейфа, стабилотрона.
  5. На основе разработанного комплекса программ проведены компьютерные исследования следующих закономерностей исследуемых приборов:

– срыв колебаний на нижней границе усиления по анодному току в амплитроне вследствие конкуренции входного сигнала и низковольтного побочного автоколебания;

– срыв колебаний на верхней границе усиления по анодному току в амплитроне вследствие нарушения условия синхронизма ВЧ волны с электронным потоком;

– изменение частоты генерации стабилотрона: незначительное при больших значениях анодных токов и существенное при малых значениях анодных токов.

На защиту выносятся:

  1. Математическая модель магнетронных цилиндрических усилителей со скрещенными полями, учитывающая отражения от устройств ввода и вывода энергии, наличие побочных видов колебаний и их конкуренцию с основным видом колебания.
  2. Алгоритм нахождения самосогласованного режима при одновременном учете как ВЧ волны, обусловленной входным сигналом, так и волн, возникших в результате отражений от устройств входа и выхода усилителя.
  3. Программное обеспечение расчета и анализа магнетронных усилителей прямой и обратной волны с пространством дрейфа, амплитрона, ультрона и генератора стабилотрона.
  4. Результаты компьютерного моделирования магнетронных усилителей, а именно зависимость частоты генерации от режима питания стабилотрона, влияние побочных видов колебаний на нижнюю границу усиления по анодному току и напряжению амплитрона, зависимость коэффициента усиления амплитрона и УПВМ от фазы коэффициента отражения

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2006), научно-технической конференции «Электронная и вакуумная техника. Приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2007), а также на научных семинарах кафедры «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» Саратовского государственного технического университета и научно-технических советах в ОАО «НИИ Тантал», ООО «ОКБ Приборостроения».

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, опубликованы в 14 печатных работах (статьях, текстах докладов), в т.ч. 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Имеется свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

  1. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

aДиссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы.

В первой главе изложена содержательная и математическая постановка задачи. На рис.1 схематически представлены исследуемые системы в скрещенных полях.

а б

в

Рис. 1. Схемы платинотрона (а), магнетронного усилителя прямой волны (б)
и стабилотрона (в).

На схеме Ra – радиус анода, Rк – радиус катода, Vэл – направление движения электронного потока вокруг катода, Vф – фазовая скорость ВЧ волны, Vгр – групповая скорость ВЧ волны, магнитное поле направлено перпендикулярно рисунку, r, – цилиндрические координаты.

Суть работы магнетронных усилителей заключается в том, что подаваемый на вход прибора ВЧ сигнал усиливается за счет взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком. В усилителях прямой волны (УПВМ, ультрон) фазовая скорость ВЧ волны и скорость электронного потока имеют одинаковое направление, в усилителях обратной волны (УОВМ, амплитрон) – противоположное. В амплитроне и ультроне между устройствами входа и выхода находится «холостая» ячейка (1 на рис. 1а), а в УПВМ и УОВМ – «пространство дрейфа» (2 на рис. 1б) с гладким участком анода. В амплитроне и ультроне электронная спица, сформированная ВЧ полями, практически не разрушается в холостой ячейке, в отличие от усилителей с дрейфом, где происходит «демодуляция» электронного потока, что снижает КПД прибора, но увеличивает частотную полосу усиления.

Стабилотрон (рис 1в) включает платинотрон, который используется как усилительный элемент схемы с положительной обратной связью на частоте резонатора. Резонатор обеспечивает высокую стабильность частоты генерации, а рассогласователь обеспечивает заданный режим работы платинотрона (коэффициент усиления) и выходную мощность.

На практике в усилителях со скрещенными полями всегда имеет место рассогласование выводов энергии, что создает условия для возникновения побочных (паразитных) автоколебаний, влияющих на работу усилителя.

Задача заключается в том, чтобы построить математическую модель, позволяющую исследовать влияние различных факторов и, в первую очередь, побочных автоколебаний на характеристики указанных усилительных систем.

Ниже применительно к схеме на рис. 1 изложены уравнения, лежащие в основе двумерной математической модели рассматриваемых систем. К ним относятся: уравнения движения, Лапласа, Пуассона, волновое уравнение, уравнение возбуждения, формулы расчета наведенных токов, постоянного анодного тока, выходной мощности, КПД и других характеристик.

Уравнения движения частиц

(1)




где , , – потенциал электрического поля; c = Bz – циклотронная частота, Bz – индукция магнитного поля,  = e/m = 1,7588·1011 Кл/кг.

Потенциал электрического поля представляется в виде суперпозиции электростатического поля (ст), поля пространственного заряда (пз) и высокочастотного поля (вч), которые описываются соответственно уравнениями Лапласа (2), Пуассона (3) и волновым уравнением (4):

, (2)

с граничными условиями: ст(ra,) = Ua, ст(rк,) = 0; ст(r,) = ст(r,+2), где Ua – анодное напряжение;

, (3)

с граничными условиями: пз(ra,) = 0; пз(rк,) = 0; пз(r,) = пз(r,+2), где – плотность пространственного заряда, Q – заряд в пространстве взаимодействия, 0 = 8,8541·10–12Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума, h – высота прибора;

, (4)

с граничными условиями: , вч(rk,) = 0; вч(r,) = вч(r,+2), где k = 2k – круговая частота ВЧ-волны с номером k, Uk – амплитуда ВЧ-волны на аноде; k – «горячая» постоянная распространения, с – скорость света, k=1…K, K – число рассматриваемых ВЧ-волн.

Уравнения возбуждения, описывающие изменение амплитуды (Uk) и постоянной распространения (k) от входа к выходу каждого сигнала

, (5)


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.