Библиографическое описание:

Парпула О. А., Поляков И. В., Ермолаев А. В. Управление спектральным составом выходного сигнала при модуляции электронного потока анодным напряжением // Молодой ученый. — 2016. — №11. — С. 115-119.



В работе приведены исследования влияния переменного анодного напряжения на электронный поток магнетронного генератора. Эксперименты показали, что при модуляции потока анодным напряжением сложной формы можно получить комбинационные составляющие в спектре генерации магнетрона.

Ключевые слова: магнетрон, спектр генерации, комбинационные составляющие, математическая модель, колебания π‑вида

В настоящее время все больше внимания уделяется возможности генерации сигналов сложного спектрального состава и управлению спектром генерации. Такие проблемы возникают при конструировании приборов антирадарной защиты, в которых используются системы из нескольких магнетронов работающих на разных частотах [1]. Антирадарная система создает на экранах РЛС сигнал с комбинационными составляющими, имитирующими ложные цели (фантомные цели). Для расширения спектра сигнала используется сочетание нескольких магнетронов, что сильно увеличивает массу прибора в целом, так как магнетронные блоки генератора достаточно тяжелы. Наличие нескольких магнетронов связано с тем, что ширина полосы пропускания магнетрона достаточно мала, составляя несколько процентов от частоты несущей. Поэтому увеличение полосы пропускания очень сильно усложняет конструкцию и стоимость прибора.

Использование классических магнетронов для генерации сигналов с комбинационными составляющими в спектре более продуктивной оказывается идея, аналогичная рассматриваемой в работе [2].

Суть подхода состоит в том, чтобы заставить электронный поток колебаться с нужной частотой, что приведет к появлению спектре генерируемого высокочастотного сигнала дополнительных гармонических составляющих. Для модуляции электронного потока в этом случае можно использовать переменную составляющую анодного напряжения.

Конструктивная реализация такого подхода потребует лишь незначительной переделки источника питания. Изменения конструкций магнетрона в этом случае не требуется и возможно использование серийных моделей.

Для исследования возможности генерации комбинационных составляющих в спектре магнетрона при модуляции электронного потока изменяющимся анодным напряжением используется самосогласованная многочастотная трехмерная модель магнетронного генератора [3,4] реализованная методом «крупных частиц». Система уравнений состоит из уравнений движения заряженных частиц в скрещенных полях:

где r, φ, z — координаты частиц в цилиндрической системе; vr, vφ.vz –составляющие скорости частиц; Er, Eφ, Ez — компоненты вектора суммарной напряженности высокочастотного, кулоновского и статического полей;ω частота циклотронных колебаний.

Входящая в правую часть уравнений движения напряженность электрического поля представляется в виде суперпозиции напряженностей высокочастотного поля , постоянного поля , приложенного между анодом и катодом, и поля пространственного заряда [5]:

E=+E0+E'.

Для нахождения распределения поля пространственного заряда, решается уравнение Пуассона, записанное в цилиндрической системе координат:

а затем, из соотношения

вычисляется напряженность поля E’ вточке нахождения частицы.

Высокочастотное поле резонансной системы представляют в виде разложения по структурным функциям электродинамической структуры магнетрона с коэффициентами, зависящими от времени.

An(t)en(x,y,z).

Амплитудную часть находим, решая систему уравнений возбуждения:

где Nn эквивалентная емкость замедляющей системы или норма; Tn период колебаний с номером n; j — возбуждающий ток, en структурная функция поля данного вида колебаний.

здесь Zγ и Z’γ — комбинация функций Бесселя и Неймана:

N — количество резонаторов в замедляющей системе; γ=n+mN — постоянная распространения; k — волновое число; θ половинный размер щели резонатора.

Система дополняется уравнениями, описывающими термоэлектронную эмиссию и уравнениями, описывающими вторичную эмиссию.

Входными параметрами модели взяты геометрия пространства взаимодействия и электродинамический режим широко распространенного классического магнетрона М-155.

Рассматривая электронный поток в магнетронном генераторе как систему с квадратичной нелинейностью, на вход которой подан синусоидальный сигнал, генерируемый резонаторной системой магнетрона. В теории нелинейных колебаний показано [5], что на выходе такой системы спектр сигнала имеет дополнительно постоянную составляющую и вторую гармонику входного сигнала.

На рисунке 1 показан спектр выходного сигнала при постоянном анодном напряжении. Частота основное гармоники 2,45 ГГц. По оси абсцисс на графике отложена частота гармоники, выраженная в ГГц. По оси ординат откладываются амплитудные значения Фурье-гармоник мощности, выраженные в абсолютных единицах.

Рис. 1. Спектр сигнала при постоянном анодном напряжении (Частота сигнала π-вида fπ=2,45 ГГц)

Согласно результатам экспериментов, проведенных на данной модели, постоянная составляющая сигнала присутствует в спектре, но поскольку она не играет ни какой роли в исследуемых процессах, то отфильтровывается на этапе Фурье — анализа.

Для получения комбинационных составляющих в спектре генерации магнетрона электронный поток модулируется анодным напряжением, сложной формы:

В ходе численного эксперимента исследовалась зависимость спектра выходного сигнала от коэффициента В. На рисунках 2–4 представлены спектры выходного сигнала, с частотой колебаний π-вида fπ =2,45 ГГц, при различных значениях коэффициента В.

Рис. 2. Спектр выходного сигнала (В=4)

Рис. 3. Спектр выходного сигнала (В=8)

Рис. 4. Спектр выходного сигнала (В=12)

Анализ полученных данных показывает, что при В=4 наблюдается появление в спектре выходного сигнала комбинационных составляющих, возле первой гармоники (2,45ГГц) с частотами 2,04 ГГц, 2,24 ГГц, 2,65 ГГц и 2,86 ГГц; возле нулевой гармоники 0,20 ГГц и 0,41 ГГц; возле второй гармоники 4,49 ГГц, 4,70 ГГц, 5,10 ГГц и 5,31 ГГц (рисунок 2). При увеличении коэффициента В (рисунки 3, 4) гармоники комбинационных составляющих значительно снижаются, падая до уровня шума,

Эксперименты, проведенные с использованием математической модели, показывают, что наличие высокочастотной составляющей анодного напряжения может приводить к модуляции электронного потока и возбуждению комбинационных гармоник насыщающих спектр генерируемого сигнала.

Уровни мощности возникающих в этом случае комбинационных гармоник зависят от переменной составляющей анодного напряжения. Полученные результаты могут быть использованы при конструировании широкого круга приборов, используемых для антирадарной защиты.

Литература:

  1. Бакулев П. А. Радионавигационные системы / П. А. Бакулев, А. А. Сосновский. — М.: Радиотехника, 2011. — 272 с.
  2. Поляков И. В. Исследование процесса возбуждения комбинационных составляющих при низкочастотной модуляции электронного потока в скрещенных полях / И. В. Поляков, А. Г. Шеин // Вопросы физической метрологии. Вестник Поволжского отделения Метрологической Академии России. — 1999. — № 1. — С. 113–128.
  3. Ермолаев А. В. Численная модель многочастотного взаимодействия в магнетронном генераторе [Текст] / А. В. Ермолаев // Вопросы физической метрологии: Вестник Поволжского отделения Метрологической академии России. — 1999. — Вып. 1. — С. 94–102.
  4. Ермолаев А. В. Математическое моделирование процесса конкуренции видов колебаний при возбуждении комбинационных составляющих в спектре генерации магнетрона / А. В. Ермолаев, И. В. Поляков, О. А. Оленникова // Актуальные проблемы управления вычислительной техники и информатики в технических системах: Межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — Волгоград, 2013 — Вып. 8. — С. 10–14.
  5. Кузнецов, А. П. Нелинейные колебания / А. П. Кузнецов, С. П. Кузнецов, Н. М. Рыскин. — М.: Физматлит, 2002. — 310 с.
Основные термины (генерируются автоматически): выходного сигнала, комбинационных составляющих, Спектр выходного сигнала, модуляции электронного потока, спектре генерации магнетрона, электронный поток, анодного напряжения, спектре выходного сигнала, нескольких магнетронов, спектр выходного сигнала, анодным напряжением, спектры выходного сигнала, спектра выходного сигнала, высокочастотного сигнала дополнительных, постоянном анодном напряжении, поля пространственного заряда, расширения спектра сигнала, составляющей анодного напряжения, Частота сигнала π-вида, постоянная составляющая сигнала.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос