Международные отношения
Электрическое управление комбинированной перестройкой
- Подробности
- Категория: Международные отношения
В качестве примера рассмотрим результаты электромагнитного моделирования свойств колебаний в малообъемной открытой резонансной системе 31, используемой в ГДИ 5мм диапазона длин волн. На рис. 5 представлено распределение электрической компоненты резонансного поля для нескольких значений расстояния D между зеркалами ОР, соответствующие непрерывной перестройке частоты на одном типе колебаний. Как видно на рис. 5, для реальных ОРС с многоуровневыми зеркалами структура поля резонансного колебания испытывает непрерывную трансформацию, приводящую к изменению числа вариаций поля как вдоль продольной оси ОР, так и в поперечной плоскости. Только на частотах, соответствующих условию фазового согласования канавки с полем ОР (см. рис. 5, D = 1,80 мм, D =2,80 мм), структура поля напоминает традиционное ЭрмитГауссово распределение поля в классическом резонаторе.
открытой резонансной системе открывает путь для корректного теоретического анализа энергетических и частотных характеристик ГДИ.
Глава 2 Основные режимы работы и схемы включения ГДИ
ГДИ многофункциональный генератор с широкими возможностями управления его выходными характеристиками.
Особенности использования ГДИ определяются особенностями конструкции генератора, схемой включения источников питания и способом регистрации выходных сигналов. Для удобства классификации сначала рассмотрим схемы включения ГДИ в основных режимах работы (см. рис. 6), а затем подробно остановимся на особенностях каждого из режимов работы генератора. Использование в ГДИ интенсивных электронных пучков с плотностью тока j = 30100 А/см2 при ускоряющем напряжении Ua = 220 кВ выдвигает серьезные требования к обеспечению охлаждения периодической структуры, коллектора, зеркал ОР. Поэтому обычно периодическая структура электрически соединена с корпусом прибора и находится под нулевым потенциалом, а катод электронной пушки под отрицательным потенциалом (минус Ua). Соответственно, под высоким потенциалом находится и схема управления накалом электронной пушки (на рис.
Прямопролетный режим работы ГДИ (см. рис. 6а) является основным режимом для большинства вариантов использования ГДИ. В этом режиме электронный пучок совершают один пролет пространства взаимодействия, часть тока пучка перехватывается периодической структурой (Ip), а большая часть электронов пучка осаждается на коллекторе (Ik). В этом режиме используется один высоковольтный источник питания Ua, а коллектор электронов находится под нулевым потенциалом. Конструктивно коллектор может быть выполнен как изолированным от корпуса, что
позволяет контролировать токопрохождение электронного пучка Ik/I0 при юстировке прибора в магнитном поле, так и непосредственно спаян с корпусом прибора для обеспечения теплоотвода неиспользованной мощности электронного пучка. Для реализации преимуществ ГДИ, как когерентного генератора, к источнику ускоряющего напряжения накладываются достаточно жесткие условия по стабильности и уровню пульсаций. Коэффициент стабилизации ускоряющего напряжения обычно составляет (15)х 10 , а амплитуда пульсаций не превышает AUa = 1030 мВ.
Второй вариант схемы включения ГДИ это прямопролетный режим с рекуперацией энергии «отработавших» электронов (см. рис. 6б). С этой целью вблизи коллектора создается тормозящее электрическое поле, в котором электроны пучка возвращают свою неиспользованную кинетическую энергию обратно в источник питания. Конструкция коллектора предусматривает наличие внутренней полости для удержания вторичноэмитированных электронов с его поверхности. Для ГДИ в режиме рекуперации наиболее подходящей является параллельная схема включения источников питания Ua и Uk. Напряжение коллекторного источника питания обычно составляет Ub/Uc = 0,20,3, а требования к его стабильности на 12 порядка ниже, чем к Ua. Следует отметить, что оба полюса источника питания Uk выполняются электрически изолированными от нулевого потенциала.
Отражательный (многопролетный) режим работы ГДИ (см. рис. 6в) предусматривает два и более пролетов электронного пучка сквозь пространство взаимодействия. Разворот электронного пучка осуществляется на выходе пространства взаимодействия при выборе потенциала отражателя ниже потенциала катода электронной пушки. С этой целью при параллельной схеме включения отражательного ГДИ используется реверсное подключение источника питания Uomp (см. рис. 6в). Оба полюса источника питания Uomp выполняются электрически изолированными от нулевого потенциала, а относительное значение напряжения реверсного источника питания составляет Uomp/Ua = 0,10,5. Отметим, что реверсный источник выполняет только функции управления выходным сигналом ГДИ и потребляет незначительную мощность только во время переходных процессов, так как электроны пучка после нескольких пролетов полностью оседают на периодической структуре.
Автодинный режим работы ГДИ предусматривает обнаружение отклика генератора (детектирование) на собственный сигнал, отраженный исследуемым объектом. В режиме внешнего детектирования отклик ГДИавтодина регистрируется по уходу частоты или мощности генерации. Более перспективен режим внутреннего детектирования, когда отклик ГДИавтодина регистрируется по изменению тока коллектора (см. рис. 6г). В этом случае происходит непосредственный перенос СВЧинформации об исследуемом объекте в переменный коллекторный ток. С этой целью потенциал коллектора выбирается немного выше потенциала катода (Uk/Ua = 0,050,1), что соответствует выбору рабочей точки на наклонном участке зависимости Ik = f(Uk). При этом СВЧсигнал, возвращенный исследуемым объектом, приводит к изменению скорости электронов пучка и, как следствие, к изменению тока коллектора с регистрацией автодинного отклика на Rk.
2.1 Прямопролетный режим работы ГДИ
Это стандартный режим работы для большинства вариантов использования ГДИ как источника когерентного излучения. Как отмечалось выше (глава 1), для установления колебаний необходимо выполнить условия «тройного» резонанса. На практике запуск ГДИ в прямопролетном режиме состоит из настройки его ОРС на собственный тип колебаний с подходящим (гауссовым) распределением электрической составляющей поля вдоль пространства взаимодействия, выбора подходящего ускоряющего напряжения для фазового синхронизма электронного пучка и пространственной гармоники поля периодической структуры, обеспечения превышения тока пучка над стартовым значением. Предварительная юстировка ГДИ в магнитном поле осуществляется по токопрохождению на коллектор при малых токах пучка, либо по уровню СВЧ
сигнала вблизи пускового режима. Для пакетированных генераторов дифракционного излучения юстировку прибора в МФС выполняет изготовитель.
Изменение частоты генерации в широком диапазоне осуществляется при комбинированной перестройке ГДИ, заключающейся в механическом изменении расстояния между зеркалами открытой резонансной системы и синхронной подстройке величины ускоряющего напряжения электронного пучка для обеспечения условия фазового синхронизма. Диапазон комбинированной перестройки частоты в ГДИ с одиночной решеткой обычно составляет 2030%, а для генераторов с двойной периодической структурой 68%.
Рассмотрим в качестве примера комбинированную перестройку частоты в малообъемном ГДИ с одиночной решеткой 31. На рис. 7а приведены резонансные расстояния между зеркалами открытой резонансной системы ГДИ, соответствующие перестройке на нескольких типах колебаний (TEM002TEM005, TEM202, TEM402) и поведение выходной мощности при комбинированной перестройке на TEMтипе колебаний. Следует отметить, что с учетом электродинамического анализа структуры колебаний, приведенного в п. 1.4, для обозначения типов колебаний следовало бы использовать приставку «квази», правда «чистых» по структуре поля колебаний в открытой резонансной системе ГДИ нет вообще. Как видно на рис. 6а, в полосе частот f = 4762 ГГц наблюдается перестройка частоты ГДИ на одном типе колебаний без провалов в выходной мощности. Снижение уровня выходной СВЧмощности на низкочастотном участке диапазона перестройки частично обусловлено снижением уровня мощности в электронном пучке, т. к. для ГДИ частота генерации пропорциональна д/U". Электрическое управление комбинированной перестройкой
частоты в ГДИ может быть осуществлено за счет использования пъезоуправляемых элементов в механизме перемещения зеркал открытой резонансной системы.