автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование характеристик мощных широкополосных плазменных ламп бегущей волны

гГо ОД

2 2 Ш Ш

На правах рукогшси

БОРОВИКОВ ПАВЕЛ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МОЩНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ЛАМП БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

05.27.02. - вакуумная и плазменная электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Государственном научном центре РФ «Всероссийский электротехнический институт им. В.И.Ленина» (Государственное унитарное предприятие)

Научный руководитель: доктор технических наук,

с.н.с. Завьялов М.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

с.н.с. Коваленко Ю.А. кандидат технических наук, доцент Мухин С.В.

Ведущая организация: Институт Общей Физики РАН

Защита состоится « » 2000 г.

в // часов на заседании диссертационного совета Д 143.04.01. при ГНЦ РФ ВЭИ по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная улица, д.12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ВЭИ им. В.И.Ленина

Автореферат разослан « » 3 2000 г

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. с.н.с.

Соболева А.С.

о О . п -¡- 1Я/Г/. О/б, О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последние годы новый импульс развития получила силовая плазменная электроника, возникшая после основополагающих работ Ахиезера и Файнберга, Бома и Гросса, предсказавших явление пучковой неустойчивости, состоящее в эффективном возбуждении колебаний и волн в плазме электронным пучком. В течение последнего десятилетия разработан принципиально новый тип приборов - черенковские пуч-ково-плазмешгые СВЧ усилители - плазменные ЛЕВ (ПЛБВ), основанные на гибридных замедляющих электродинамических структурах (ЗС), представляющих собой цепочку связанных резонаторов (ЦСР) с плазменным заполнением пролётного канала . Пучково-плазменные усилители СВЧ имеют следующие характеристики: эффективности к.п.д.) - 35 %; ширина рабочего диапазона - 25 %; мощность - 25кВт; коэффициент усиления сигнала - 22 дБ. Полученные параметры определяются:

- объёмным характером взаимодействия в системе пучок-плазма; - компенсацией пространственного заряда электронного пучка;

- возможностью пространственного разделения в такой структуре областей ввода, вывода и транспортировки электромагнитной энергии с областью взаимодействия пучка с волной в плазме;

- длительным синхронизмом пучка с волнами гибридных замедляющих структур при использовании продольных градиентов концентрации плазмы и магнитного поля. Гибридные ЗС сочетают в себе высокую эффективность взаимодействия, характерную для плазменных волноводов, с возможностью практически полного излучения энергии возбуждаемых СВЧ полей. Реализация преимуществ плазменно-волноводных структур потребовала, с одной стороны, детального исследования дисперсионных характеристик и динамики взаимодействия электронного пучка с гибридными волнами, с другой - разработки специальных методов конструирования и

настройки пучково-плазменных приборов, обеспечивающих большой срок службы приборов и учитывающих наличие в них плазмы, а также интенсивных электронных к ионных потоков .

Одной из наиболее актуальных задач в настоящее время является обеспечение передачи нарастающего потока информации. Использование преимуществ ПЛБВ - высокой мощности и широкого рабочего диапазона позволяет: -увеличить скорость передачи информации ; -повысить помехозащищенность систем передачи информации; -увеличить дальность передачи;

-упростить аппаратурную часть системы связи за счет сокращения числа приемо-передающих блоков.

Перспектива применения достаточно широкополосных и мощных ПЛБВ в системах связи вызвала необходимость исследования рада характеристик, таких как:

-интер-модуляционные и кросс-модуляционные характеристики в режиме одновременного усиления нескольких сигналов; -уровень собственных шумов усилителя;

-уровень побочных колебаний и гармоник, в частности, возбуж- . дение на второй и третьей гармониках сигнала; -линейность амплитудной характеристики и др.

Данная работа посвящена экспериментальному и теоретическому анализу плазменно-волноводных СВЧ структур и исследованию рабочих характеристик приборов.

Основная цель работы - исследование плазменно-волноводных СВЧ систем на примере ПЛБВ, изучение их характеристик, а также проведение необходимых исследований по определению рабочих параметров приборов.

Поставленная цель включает решение следующих задач: -Анализ и экспериментальное исследование электродинамических характеристик гибридных ЗС на основе ЦСР с плазменным заполнением канала и разработка расчетно-аналитической модели гибридной ЗС. Исследование моделей с трубчатой плазмой и диэлектрическим зазором в пролетном канале. Экспериментальное исследование влияния плазменного заполнения на электродинамические свойства гибридных СВЧ структур,

исследование дисперсионных свойств гибридной ЗС на основе ЦСР в процессе разработки плазменной ЛБВ для обеспечения рабочих параметров приборов.

-Исследование возможности расширения частотного диапазона приборов . Изучение эффекта расширения частотного диапазона ПЛБВ вне зоны «прозрачности» вакуумной ЗС, определение рабочих параметров пучково-плазменного взаимодействия в пролетном канале прибора, обеспечивающих расширение частотного диапазона. Исследование характеристик согласования гибридных ЗС при плазменном заполнении пролетного канала.

-Изучение многочастотного режима работы ПЛБВ (т.е. режима одновременного усиления нескольких сигналов), измерение энергетических и спектральных характеристик возбуждения комбинационных составляющих при двухчастотной работе. Разработка и исследование численного метода анализа многочастотного режима усиления. Исследование кросс-модуляционных и интермодуляционных характеристик при одновременном усилении двух гармонических сигналов, определение оптимальных режимов работы ПЛБВ при работе в режиме усиления нескольких сигналов.

-Анализ уровня паразитных и внеполосных колебаний в ПЛБВ, исследование шумовых характеристик, разработка ПЛБВ с рабочими характеристиками, удовлетворяющими стандартам электромагнитной совместимости при работе в системах связи и коммуникаций.

Методика исследования.

В работе использован комплексный подход к проведению исследований, включающий: физические эксперименты и анализ их результатов; аналитические расчеты; построение качественных моделей и выполнение на их основе численного моделирования; исследования макетов ПЛБВ на экспериментальной установке, прошедшей аттестацию по стандартным методикам. Для измерения дисперсионных характеристик гибридных СВЧ структур был применен метод с использованием изолированного газоразрядного источника плазмы

(ГРИП). Параметры плазмы определялись резонаторным методом. Для снятия СВЧ характеристик из волноводных и коаксиальных элементов были собраны и прокалиброваны специальные измерительные тракты. Шумовые и частотные характеристики • ПЛБВ измерялись с помощью спектро-анализаторов, ваттметров и метода, основанного на использовании волновод-ного разделителя колебаний и измерителя спектральной плотности мощности (ИСПМ-1).

Достоверность результатов.

Достоверность результатов подтверждается систематическим характером экспериментальных исследований на аттестованном оборудовании, проведенным по стандартным методикам, хорошим совпадением результатов, полученных различными методами и удовлетворительным согласованием с расчет-но-теоретическими моделями, как в качественном, так и в количественном отношении.

Научная новизна.

В ходе проведения исследований бьиш получены следующие новые научные результаты:

1. Получило развитие теоретическое исследование электродинамических характеристик гибридных систем на основе ЦСР с плазменным заполнением канала. Проведен анализ влияния параметров плазмы я геометрии гибридной ЗС на дисперсионные и импедансные характеристики. Впервые исследованы модели гибридной структуры с трубчатой плазмой и диэлектрическим зазором в канале гибридной ЗС типа ЦСР.

2. Предложен оригинальный резонаторный метод определения дисперсионных характеристик гибридной ЗС на основе ЦСР с помощью автономного газоразрядного источника плазмы на этапе разработки и изготовления плазменной ЛБВ. На основе резонаторного метода экспериментально исследовано влияние плазменного заполнения пролетного канала на электродинамические свойства гибридной ЗС . Получено хорошее совпадение экспериментальных данных с результатами, выполненными по разработанной программе расчета гибридной ЗС типа ЦСР.

3. С целью улучшения рабочих параметров разрабатываемых Г1ЛБВ исследованы характеристики согласования входного и выходного устройств Ш1БВ при заполнении пролетного канала плазмой различной концентрации. По результатам моделирования определено значение оптимальной концентрации плазмы (~3х10псм'э) в пролетном канале ЦСР, при которой в эксперименте впервые достигнуто значительное расширение частотного диапазона согласования макета ПЛБВ. На основе анализа расчетно-аналитической модели проведено экспериментальное исследование эффекта расширения диапазона усиления ПЛБВ вне зоны «прозрачности» вакуумной ЗС при плазменно-волноводном взаимодействии в пролетном канале прибора. Новым результатом является экспериментально полученное расширение диапазона усиления и согласования макета ПЛБВ (на 20% по сравнению с полосой вакуумного режима работы).

4. Впервые для гибридных приборов проведен детальный анализ уровня паразитных и внеполосных колебаний в плазменной ЛБВ. Разработаны приборы с рабочими характеристиками, удовлетворяющими требованиям работы в системах связи и коммуникаций. Впервые проведено спектральное исследование шумовых характеристик макета ПЛБВ.

5. Проведено изучение процесса одновременного усиления нескольких сигналов в ПЛБВ. Получил развитие численный метод анализа многочастотного режима работы ПЛБВ, основанный на приближенном представлении сложного сигнала в виде квазигармонического с медленно изменяющейся амплитудой.

6. Исследовано возбуждение комбинационных составляющих при двухчастотной работе. Получены кросс-модуляционные и интер-модуляционные характеристики макета ПЛБВ. Определены режимы работы ПЛБВ при многочастотной работе, обеспечивающие уровни возбуждения комбинационных составляющих, которые удовлетворяют требованиям по электромагнитной совместимости.

Практическая ценность работы определяется следующими результатами:

- Разработанная программа расчета электродинамических характеристик позволяет проводить разработку ЗС для различных гибридных систем на основе ЦСР с плазменным заполнением канала Г1ЛБВ с улучшенными рабочими характеристиками. Получено хорошее совпадение результатов численного моделирования с экспериментальными измерениями на макетах;

- Применение на этапе изготовления и настройки плазменной ЛБВ разработанного резонаторного метода для определения оптимальной концентрации плазмы и измерения дисперсионных характеристик гибридной ЗС дает возможность упростить настройку и повысить рабочие параметры приборов;

- Достигнутое значительное расширение частотного диапазона согласования и увеличение рабочего диапазона усиления макета ПЛБВ вне полосы прозрачности вакуумной системы ( на 20%) позволяет получить улучшенные выходные параметры приборов;

- Проведенный анализ уровня побочных колебаний в ПЛБВ позволяет определить значения уровня собственных шумов прибора при частотно-импульсном и непрерывном режиме работы источников питания. Разработаны приборы с характеристиками, удовлетворяющими требованиям к системам связи и коммуникаций (уровень спектральной плотности шума не более 1.0 мкВт\Мгц);

- Развит метод анализа многочастотного режима работы ПЛБВ, позволяющий достоверно моделировать и исследовать интермодуляционные и кросс-модуляционные характеристики разрабатываемых приборов с учетом параметров реальной амплитудной характеристики плазменной ЛБВ.

- Результаты исследования многочастотного режима работы ПЛБВ, в частности, возбуждения комбинационных составляющих при двухчастотной работе, позволяют определить режимы и парметры прибора, обеспечивающие уровень комбинационных составляющих при одновременном усилении двух гармонических сигналов не более -27 дБ относительно уровня основных сигналов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Расчетно-аналитическая модель гибридной ЗС с плазменным заполнением пролетного канала, в том числе с трубчатой плазмой и диэлектрическим зазором в пролетном канале, позволяющая достоверно анализировать влияние параметров плазмы, магнитного поля и геометрии гибридной ЗС на дисперсионные и импедансные характеристики исследуемой ЗС.

2. Разработанный резонаторкый метод измерения дисперсионных характеристик гибридной ЗС на основе ЦСР позволяющий проводить настройку замедляющей системы и повысить параметры разрабатываемых приборов.

3. Значительное увеличение частотного диапазона согласования электродинамической структуры ПЛБВ вне зоны «прозрачности» вакуумной ЗС, расширяющее диапазон усиления макета ПЛБВ на 20%, что достигается при определенной концентрации плазмы в пролетном канале ЦСР (~Зх10"см_3).

4. Достигнутый интегральный уровень шумов, не более 1 .ОмкВт/МГц в исследованной полосе частот, превышающей в три раза рабочую полосу частот, полученный на основе проведенного анализа уровня побочных колебаний в ПЛБВ.

5. Развитый численный метод, примененный для анализа многочастотного режима работы плазменных ЛБВ, основанный на приближенном представлении сложного сигнала в виде квазигармонического с медленно меняющимися амплитудой, позволяющий достоверно моделировать и исследовать интер-модуляционные и кросс-модуляционные характеристики разрабатываемых ПЛБВ на основе экспериментальной амплитудной характеристики .

6. Измеренный уровень комбинационных составляющих (не более -27 дБ), который может быть обеспечен при одновременном усилении двух СВЧ сигналов в плазменной ЛБВ.

Структурно работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.

Апробация работы.

Основные положения выполненных теоретических и экспериментальных исследований были доложены на: -Четвертой Международной конференции по СВЧ электронике (Санкт- Петербург, 1999г.)

Восьмой Международной конференции по СВЧ технике ( Украина, Севастополь, 1999г.)

-Международной конференции по вакуумной электронике ( Монтеррей, 2000);

-научных конференциях МИФИ «Научная сессия МИФИ», (1999г, 2000г. );

-научных семинарах ВЭИ им. В,И,Ленина (1997г., 1999г.). Публикации.

По материалам диссертации опубликовано девять научных статей.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы из 120 наименований. Общий объем диссертации 158 страниц, включая 63 рисунка. В приложении приведены методика расчета на ЭВМ дисперсионной характеристики гибридной ЗС типа ЦСР.

Содержание диссертации.

Во введении обоснован выбор темы, для чего приведен краткий обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных силовой плазменной СВЧ электронике. За последнее десятилетие в этой области достигнут значительный прогресс. Обзор, в основном, посвящен плазменным СВЧ генераторам и усилителям с нерелятивистскими электронными пучками.

Главный результат обзора- в последнее десятилетие созданы мощные приборы, реализующие основные достоинства гибридных пучково-плазменных приборов : - объемный характер возбуждаемых волн, приводящий к значительному увеличению

коэффициента усиления и к.п.д.;- возможность изменением концентрации плазмы перестраивать частоты генерируемых СВЧ колебаний; - возможность увеличения мощности колебаний путем увеличения предельного тока, обусловленного компенсацией сил пространственного заряда;-возможностъ управления спектром СВЧ колебаний.

На первый план вышла задача создания опытных образцов для работы в конкретных областях техники, таких как. например. создание оборудования для техники коммуникаций и связи. Особый интерес вызывает новый класс приборов - плазменные лампы бегущей волны, которые обладают набором высоких выходных параметров. Применение мощных ЛБВ, как наиболее широкополосных СВЧ приборов, в системах связи и радиолокации требует исследования целого ряда специфических требований, таких как широкополосность. низкий уровень побочных колебаний, возможность работы в многочастотном режиме. Разработке такой ПЛБВ и анализ} ее характеристик посвящена настоящая работа.

Кроме того, во введении сформулированы цели и задачи работы, изложены основные результаты, приведены положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена теоретическому анализ} гибридных плазменно-волноводных систем. В первом разделе описывается программа расчета и оптимизации гибридной замедляющей системы типа ЦСР с плазменным заполнением пролетного канала, в разработке которой автор участвовал в сотрудничестве с А Д Григорьевым (ЛЭТИ) и |Л.А.Митиным| (ВЭИ). В основу программы численного расчета замедляющей структуры типа цепочки связанных резонаторов с плазменным заполнением пролетного канала положен метод частичных областей в сочетании с методом эквивалентных четырехполюсников. Результатом расчета являются зависимости частоты, сопротивления связи и замедления системы, которые представляются в графическом виде и файлов данных, полученных для замедляющей структуры с заданными геометрическими размерами. В работе приведены результаты расчета

дисперсии и сопротивления связи. Показано, что в гибридной ЗС по сравнению с вакуумной системой существенно выросло сопротивление связи, а при изменении параметров плазменного волновода возможно управление частотным диапазоном прибора. . С помощью созданной программы расчета возможны конструирование и оптимизация ЗС типа ЦСР для ПЛБВ требуемого частотного диапазона. В работе исследовано относительное влияние различных параметров ( геометрических размеров ЗС. концентрации плазмы, величины магнитного поля ) на дисперсионную характеристику ЗС. На рис.1 приведены различные дисперсионные кривые, показывающие влияние параметров -геометрии , концентрации плазмы и величины магнитного поля на величину замедления ( 17 ~с '1)е). На основе анализа сделаны следующие выводы: во-первых, необходимо применение системы стабилизации значения концентрации плазмы в рабочем режиме ПЛБВ; во-вторых, небольшая нестабильность (около 5-8 %) напряженности магнитного поля практически не влияет на дисперсионные характеристики электродинамической структуры.

Дальнейшее развитие программа «НЕВА-ВЭИ» получила при разработке модуля инженерного расчета регулярной части ЗС.

В работе проведено теоретическое исследование и разработаны программы расчета дисперсионных характеристик для двух других моделей плазменного волновода.

- модель с зазором между поверхностью трубок дрейфа и плазменным столбом, при этом полученные результаты расчета показывают, что наличие зазора ухудшает импедансные характеристики ЗС и это необходимо учитывать при расчете оптической системы прибора. Кроме того, разработанная программа позволяет рассчитывать систему с диэлектрическим слоем между плазмой в пролетном канале и трубками дрейфа.

-во второй модели рассматривается гибридная система с трубчатой плазмой в пролетном канале. Из анализа модели следует, что в такой системе выравнивается распределение поля внутри плазменного волновода и растет сопротивление связи , что позволяет сделать вывод о перспективности применения

такой системы при разработке новых приборов. Такие приборы могут иметь большой к.п.д. и , кроме того, в них возможно применение ионнозащищенной кольцевой электронной оптики, перспективной с точки зрения защиты катода от ионной бомбардировки и увеличения ресурса работы.

Во второй главе представлены результаты экспериментального исследования электродинамических свойств гибридной ЗС. В разделе 2.1. описан оригинальный метод экспериментального исследования дисперсионных характеристик макета гибридной ЗС типа ЦСР. В пролетный канал ЗС помещается отпаянная газоразрядная трубка, заполненная инертным газом.

Предварительно, с помощью резонансного метода измеряется концентрация плазмы в трубке при зажигании разряда. Данный метод основан на измерении характеристик резонатора, заполненного плазмой .

В тороидальный резонатор введены две петли связи, одна из которых возбуждает в резонаторе СВЧ колебания. Сигнал с другой петли после детектирования подается на индикаторный блок Р2-54. Для исследования дисперсионных характеристик макета гибридной ЗС применен резонаторный метод. На рис.3 показаны зависимости коэффициента прохождения СВЧ колебаний через макет гибридной ЗС от частоты. Кривая 1 полечена при отсутствии разряда в трубке. Характерный набор резо-нансов определяется полосой пропускания ЗС и количеством резонаторов , установленных в макете. Идентифицируя частоту каждого резонанса с соответствующим видом колебаний в системе, можно определить соответствующую ей точку дисперсионной характеристики. Кривая 2 получена при концентрации плазмы Пе=1х10п см 3 . Заполнение канала плазмой вызывает сдвиг полосы пропускания ЗС в область высоких частот, что соответствует теоретическим представлениям, полученным при моделировании данной гибридной ЗС. Следует отметить снижение амплитуды резонансов колебаний, обусловленное столкновительными потерями в плазме. На рисунках 3,4 приведен относительный уход, в процентах, верхней

(рис.3) и нижней (рис.4) частоты границ полосы пропускания системы и приведены результаты расчета, полученные с помощью программы «НЕВА-ВЭИ».

Таким образом, данная методика позволяет проводить исследования СВЧ характеристик разрабатываемых мощных пучково-плазменных усилителей и генераторов СВЧ с учетом влияния плазменного заполнения пролетного канала на дисперсионные характеристики приборов. Применение данного метода измерения дисперсионных характеристик на этапе разработки, изготовления и настройки ПЛБВ обеспечивает выбор оптимальной концентрации плазмы и улччшает рабочие характеристики изготовляемых образцов.

В разделе 2.2. обсуждаются результаты экспериментов по исследованию возможности расширения частотного диапазона ПЛБВ за счет определения оптимальных параметров пучково-плазменного взаимодействия. Ввод и вывод энергии в ЛБВ осуществляется с помощью специальных согласующих устройств. К качеству согласования ЗС с внешними линиями передач предъявляются достаточно жесткие требования, т.к. наличие отражения искажает амплитудно-частотную характеристику прибора и может привести к его самовозбуждению. Исследования плазменных ЛБВ вызвали необходимость разработки специальных методов настройки различных типов согласующих устройств гибридных плазменно-волноводных ЗС для ПЛБВ.

В связи с этим, в настоящей работе исследованы согласующие устройства двух основных типов (волноводного и коаксиального) с учетом плазменного заполнения пролетного канала, которое вызывает сдвиг полосы согласования в область более высоких частот. При этом результаты численного моделирования характеристик гибридных ЗС получили экспериментальную проверку. На первом этапе плазма создавалась в изолированном объеме газоразрядной трубки, помещенной в пролетный канал макета ПЛБВ. Макет состоит из устройства согласования и регулярной части ЦСР, нагруженной согласующей нагрузкой. Измерения КСВН для коаксиального согласующего устройства были проведены на отпаянном макете

(рис.5). По результатам исследования характеристик согласования входного и выходного согласующего устройства макета ПЛБВ при заполнении пролетного канала плазмой различной плотности определено значение оптимальной концентрации плазмы (~Зх10"см'3 ) в канале ЦСР, при которой достигается значительное расширение частотного диапазона согласования макета ПЛБВ.

Полученные результаты (сдвиги дисперсионной кривой ЦСР и характеристик согласования в «плазменном» режиме работы) позволяют сделать вывод о возможности управления частотным диапазоном работы ПЛБВ. В работе проведено экспериментальное исследование эффекта расширения диапазона усиления ПЛБВ вне зоны «прозрачности» вакуумной ЗС за счет определения оптимальных параметров пучково-плазменного взаимодействия в пролетном канале прибора. Получено расширение диапазона усиления ПЛБВ (на 20% по сравнению с вакуумным режимом работы прибора). На рис.6 представлены результаты измерения амплитудно-частотной характеристики ПЛБВ.

В третьей главе описана конструкция плазмешюй ЛБВ, состав и основные параметры созданного универсального испытательного комплекса для проведения исследований гибридных плазменных приборов и приведены основные экспериментальные характеристики ПЛБВ. Экспериментальный комплекс состоит из следующих частей: стенд источников питания; пультовая; СВЧ камера экранированная комната ; система электрических измерений; система измерений СВЧ характеристик; система сбора и обработка данных на ПК.

На стенде энергопитания расположены источники питания устройств: высокого напряжения; накальных трансформаторов; источника собственных нужд; соленоида; предварительного усилителя.

Для повышения надежности работы испытательного комплекса наиболее ответственные цепи питания продублированы. ПЛБВ находится в специально изготовленной СВЧ ка-

мере, обеспечивающей достаточное экранирование. Схема измерений электрических параметров обеспечивает оперативный контроль следующих параметров: напряжение анод-катод; катодный ток; ток прямого накала; рабочие напряжения источников прямого и электронного накала; ток в цепи ЗС; ток и напряжение в цепи соленоида; рабочее давление. Приведены основные технические характеристики источников питания.

Раздел 3.2. посвящен описанию исследования СВЧ характеристик мощных ПЛБВ. Приведены структура и характеристики системы канализации и измерения СВЧ колебаний. Описана методика измерения характеристик СВЧ сигналов, основанная на использовании панорамного измерителя спектральной плотности мощности ИСПМ, разработанного учеными МЭИ. В разделе 3.3 приведены результаты исследования амплитудных и частотных характеристик макетов ПЛБВ.

В четвертой главе приводятся результаты исследования многочастотного режима работы ПЛБВ. В работе описывается развитый оригинальный численный метод анализа многочастотного режима работы плазменной ЛБВ, основанный на приближенном представлении сложного сигнала в виде квазигармонического с медленно меняющейся амплитудой. Данный метод позволяет на основе экспериментальной амплитудной характеристики реального макета ПЛБВ достоверно моделировать и исследовать ян-тер-модуляционные и кросс-модуляционные характеристики разрабатываемых ПЛБВ.

Разработанный на основе пакета «МаЙтсасЬ программный модуль позволяет рассчитывать абсолютный и относительные уровни мощности комбинационных составляющих , возникающих при двухчастогном усилении. В работе приведены различные зависимости и спектральные диаграммы составляющих выходного СВЧ сигнала. Исследовано возбуждение комбинационных составляющих при двухчастотной работе. Получены кросс-модуляционные и интер-модуляционные характеристики макета ПЛБВ при двухчастогном воздействии (см. рис.10). Определены режимы и параметры прибора для многочастотной

работы, обеспечивающие уровень комбинационных составляющих (при двухчастотной работе) не более -27 дБ.

Далее проведен анализ уровня паразитных и внеполос-ных колебаний в ПЛБВ. Измерен уровень и спектральный состав собственных шумов ПЛБВ. Измерение собственных шумов ПЛБВ проводилось в полосе частот, превышающую в три раза рабочую полосу прибора. Анализ спектра шума ПЛБВ при вакуумном и плазменном режимах работы выявил ряд особенностей. Основной спектр находится вне рабочей полосы усилителя. Отношение интегральной мощности шума к мощности на выходе ПЛБВ (10 кВт) равно минус 75 дБ в рабочей полосе частот, а в исследованной полосе частот -65 дБ.

Для ряда прикладных задач требуется частотно-импульсный режим работы ПЛБВ, при котором модуляция выходного излучения может быть реализована не только управлением входного СВЧ колебания, но и импульсным режимом работы питания электронной пушки, что повышает эффективность работы передатчика. Измерения показали, что в этом режиме отношение интегральной мощности шума к мощности на выходе ПЛБВ (10 кВт) -57 дБ в рабочей полосе частот и отношение интегральной мощности шума в исследованной полосе частот к мощности на выходе ПЛБВ -45 дБ. Анализ спектра шума (см. рис.7) показал, что основной вклад дают импульсы самовозбуждения ПЛБВ на 2л -виде колебаний, проходящие на фронте нарастания и спада импульса напряжения питания. На первом этапе этих измерений продолжительность фронта составляла 75 мкс. Включение в

схему управления электронно-лучевым вентилем специально разработанных форсирующих цепочек позволило получить Гф~ 12мкс и снизить уровень шума на 8 дБ. В настоящее время, на основе проведенных измерений выработано техническое задание на разработку источника-модулятора с длительностью фронта импульса менее 5 мкс.

Кроме того, в работе приведены результаты измерения уровня возбуждения высших гармоник СВЧ сигнала (уровень второй гармоники не более -42 дБ).

В заключении кратко сформулированы основные практические и научные результаты, полученные в ходе работы над диссертацией:

1. Созданные расчетно-аналитические модели гибридной ЗС, в том числе с трубчатой плазмой и диэлектрическим зазором в пролетном канале, позволяют достоверно анализировать влияние параметров плазмы, магнитного поля и геометрии гибридной ЗС на дисперсионные и импедансные характеристики исследуемой ЗС. Разработанная программа "НЕВА-ВЭИ" с модулем начального инженерного расчета ЦСР позволяет проводить разработку гибридных ЗС с требуемыми параметрами.

2. Из результатов расчета модели с трубчатой плазмой следует, что в такой системе выравнивается распределение поля внутри волновода и растет сопротивление связи, что позволяет сделать вывод о перспективности такой системы при разработке новых приборов.

3. Применение на этапе изготовления и настройки плазменной ЛБВ резонаторного метода для определения концентрации плазмы и измерения дисперсионных характеристик гибридной ЗС позволило упростить настройку и повысить параметры приборов.

4. Получено значительное увеличение частотного диапазона согласования электродинамической структуры плазменной ЛБВ вне зоны «прозрачности» вакуумной ЗС, позволяющее расширить диапазон усиления макета ПЛБВ на 20%, что достигается при определенном значении концентрации плазмы в пролетном канале ЦСР (~3*10"см"3).

5. Для экспериментального исследования образцов ПЛБВ была разработан и создан испытательный комплекс , позволяющий проводить широкий спектр исследований по изучению физических, электротехнических и СВЧ характеристик.

6. На основе проведенного анализа уровня побочных колебаний в ПЛБВ экспериментально определены значения интегрального уровня шумов в исследованной полосе частот, превышающей в три раза рабочую полосу частот (уровень спектральной плотности мощности шума не более 1,0 мкВт/МГц).

7. Разработанный численный метод анализа много частотного режима усиления сигналов ПЛЕВ, позволил на основе амплитудной характеристики конкретных образцов приборов достоверно моделировать и исследовать интермодуляционные и кросс-модуляциошгые характеристики разрабатываемых ПЛБВ. Определен уровень комбинационных составляющих второго порядка (при одновременном усилении двух гармонических сигналов), составляющий не более -27 дБ относительно уровня основных усиливаемых сигналов.

8. Разработана ПЛБВ со следующими рабочими характеристиками, удовлетворяющими требованиям работы в системах связи и коммуникаций:

Таблица Выходная СВЧ мощность

кВт

25

Частотный диапазон усиления К.п.д.

% %

30 35

Ускоряющее напряжение Рабочий ток пучка

кВ А

20 3.5

Коэффициент усиления

Уровень возбуждения второй гармоники, не более

дБ ДБ

21 -42

Уровень собственных шумов в исследованной полосе частот, не более

мкВт/МГц 1,0

Относительный уровень собственных дБ -75

шумов в рабочей полосе частот, не более

Уровень комбинационных составляю- дБ -27

щих второго порядка при двухчастотном режиме работы , не более

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. П.В. Боровиков. А.Д. Григорьев. В.А. Мейев и др. Расчет характеристик гибридных волн в ЗС типа ЦСР, частично заполненных. плазмой, Известия ЛЭТИ, выпуск № 434, с.72, Ленинград, 1991 г.

2. P.V. Borovikov, S.W.A.Gielkens, P.J.Peters, V.N.Tskhai, MA.Zavjalov, Rev. Sci. lustrum., vol.67, p.2449-2452, 1996r..

3. П.В. Боровиков, M.A. Завьялов, В.А.Конкин и др. Особенности работы пучково-плазменного усилителя и исследование его СВЧ характеристик, Труды 8-ой Международной конференции по СВЧ технике, т.2,с.725,Севастополь, 1998г.

4. П.В. Боровиков, М.А. Завьялов, В.А.Конкин. Исследование СВЧ характеристик мощного широкополосного пучково-плазменного усилителя, Сб."Научная сессия МИФИ-1999", с.76. Москва.1999г.

5. P.V. Borovikov, M.A.Zavjalov, V.A. Konkin, A.G. Korotkov. Plasma influence on the Electromagnetic Properties of Coupled-Cavity SWS. Proc.. Int. Conf. "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies, p.335-337,St.Peterburg, 1999.

6. П.В. Боровиков, M.A. Завьялов, В.И. Переводчиков и др. Особенности работы пучково-плазменного усилителя и исследование его СВЧ-характеристик, Приборы и техника эксперимента, ПТЭ, №5, с.79-83, Москва, 1999г.

7. П.В. Боровиков, М.А. Завьялов, В.А.Конкин. Метод теплых испытаний гибридных электродинамических структур пуч-ково-плазменных приборов СВЧ. Сб."Научная сессия МИ-ФИ-2000", с.50, Москва, 2000г..

8. П.В. Боровиков, М.А. Завьялов, А.С.Рошаль. Исследование процесса распада плазмы в мощных пучково-плазменных приборах СВЧ. Сб. "Научная сессия МИФИ-2000", с.48, Москва,2000г

9. P.Borovikov, М.А. Zavjalov, V.I. Perevodchikov et al." Some problems of design of High-Power Broadband Plasma TWT Amplifier ". Proc. of 1-st Int. Congress on Radiation Physics, High Current Electronics and Modification on Materials, Tomsk, 2000r.

Рис.1 Зависимость изменения дисперсионных свойств (замедления) гибридной ЗС от параметров: 1-угла раскрьша щели;2-периода ЗС;

3-концентрации плазмы п,;

4-цшслотрошюй частоты м>А

Рис.2 Резонансные характеристики макета гибридной ЗС типа ЦСР.

1 - вакуумная ЗС (1р=0 )

2 - ЗС с плазмой (1Р=20 мА )

25-

Рис..З Зависимость изменения верхней границы (в процентах) полосы пропускания от тока разряда (мА). РядЬэксперимезгг, ряд2-расчет

25

токразрда.иА

120 160

Рис.4 Зависимость изменения нижней границы (в процентах) полосы пропускания от тока разряда (мА). Ряд1 -эксперимент. ряд2-расчет

Рис.5 Характеристика КСВ по входу макета ПЛЕВ ( коаксиального типа)

1 - Р=1х10"6мм рт.ст. «вакуум»

2 - Р=1,5х10°мм рт.ст. «плазма»

Рис. 6 Зависимости выходной мощности ПЛЕВ от частоты.

1 - Р=1х10'6мм рт.ст. «вакуум»

2 -Р=1,5х10°мм рт.ст. «плазма»

0,4 0,6 0,8 1 1,2 Кое 1,4

Р21.РЗ.. | 1

\ ; !

Ри ;

0 20 40 60

Р1ех=Р2вх, вт

Рис.7. Зависимость спектральной плотности мощности собственного шума макета ПЛБВ от частоты при частотно-импульсном реноме работы источника питания. 1-«вакуум»; 2-плазмешшй режим

Рис.8 Зависимости расчетных (сплошные) и экспериментальных, (прерывистые) значений относительного уровня комбинационных составляющих 3-го и 2-го порядка (дБ) от входной мощности .

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Моделирование электродинамических и электронных характеристик пучково-плазменных СВЧ систем

1.1. Расчет и исследование дисперсионных свойств гибридной ЗС на основе численного моделирования плазменно-волноводных ЗС типа ЦСР

1.2. Исследование аналитическо-расчетных моделей гибридной ЦСР с радиально-неоднородным плазменным заполнением пролетного канала

ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование электродинамических характеристик гибридных СВЧ - структур мощных ПЛБВ

2.1. Экспериментальное исследование дисперсионных свойств гибридных плазменных систем

2.2. Экспериментальное исследование частотных свойств гибридных пучково-плазменных систем СВЧ

ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование СВЧ характеристик мощных плазменных ЛБВ

3.1. Конструкция мощных плазменных ЛБВ

3.2. Состав и основные параметры экспериментального комплекса для исследования мощных ПЛБВ

3.3. Аппаратура и методики для исследования характеристик электромагнитных колебаний и СВЧ характеристик мощной ПЛБВ

3.4. Экспериментальные характеристики мощных ПЛБВ

Мощные электронные приборы СВЧ диапазона - основные источники электромагнитной энергии для многих областей техники. Традиционные усилительные приборы СВЧ диапазона - лампы бегущей волны (ЛБВ) и клистроны кажутся вполне подходящими для многих из этих приложений[1,2], но реализация большого количества задач, требования к которым определяются комбинацией широкополосного диапазона, высокой эффективности (к.п.д.), и значительной (более 10 кВт) мощности, ограничена возможностями обычных вакуумных СВЧ ламп.

Существующие замедляющие структуры (ЗС) имеют существенный недостаток, связанный с тем, что электромагнитная волна в таких приборах является поверхностной и продольная ^-компонента электромагнитного поля, с которой взаимодействует электронный пучок, уменьшается от границы к оси ЭС[3,4]. Поэтому так значителен интерес к плазменно-наполненным СВЧ приборам, в которых электромагнитная волна становится объемной. Присутствие плазмы позволяет значительно увеличивать ширину частотного диапазона, повысить эффективность (к.п.д.), дает возможность оперативного управления частотным диапазоном ламп СВЧ диапазона.

Первые предложения по генерации электромагнитных волн в плазме [5,6] были основаны на идее использования плазмы как ЗС. Эта возможность позже была доказана в экспериментах [7-9], проведенных в пятидесятых годах. В течение следующего десятилетия были выполнены многочисленные теоретические[10-15] и экспериментальные [16,17] исследования СВЧ источников, основанные на взаимодействии электронов с медленными плазменными волнами. Главная цель этих усилий состояла в разработке СВЧ источников миллиметрового и субмиллиметрового диапазона, так как в традиционных СВЧ приборах работа при более коротких длинах СВЧ волн требует миниатюризации ЗС, используемых в традиционных лампах бегущей волны и генераторах на лампе обратной волны (ЛОВ). Следовательно, возможность использования заполненных плазмой гладко-стенных волноводов, в которых электронный пучок, при высокой степени эффективности взаимодействия с объемной плазменной волной, может распространяться достаточно далеко от металлических стенок, снижая тем самым тепловую нагрузку на элементы ЗС, была довольно привлекательной, потому что это позволяло увеличивать мощность разрабатываемых приборов и снижать требования по фокусировке пучка. Все это, как ожидалось, должно было привести к значительному увеличению мощности и эффективности СВЧ источников на миллиметровых длинах волн.

К сожалению, эти исследования натолкнулись на серьезные препятствия для реализации эффективных плазменных СВЧ приборов. Основная проблема, выявленная в этих экспериментах : введение и извлечение СВЧ излучения из плазмы [9]. Вторым недостатком была неустойчивая работа плазменно-наполненных приборов, что делало такие усилители сильно-шумящими [18,20] и, как следствие, непривлекательными для многих практических приложений.

Позднее интерес к заполненным плазмой СВЧ приборам был возобновлен в исследованиях приборов с мощными релятивистскими электронными пучками. Эти приборы продемонстрировали следующие преимущества перед традиционными СВЧ генераторами [19-21]: -возможность достаточно простого извлечения СВЧ мощности из плазмы при высоких энергиях электронов, так как при релятивистских скоростях электронов электромагнитная волна с фазовой скоростью, близкой к скорости света, может быть эффективно связана с выводом приборов; -кроме того, возможность использования плазмы для компенсации пространственного заряда в высокоинтенсивных электронных пучках, позволяет работать с токами намного большими, чем критические токи для традиционных приборов, определяемые действием пространственного заряда. Следует отметить, что эти преимущества были успешно реализованы в многочисленных экспериментах [19-21], с плазменными ЛОВ [22-25] и гиротронами [26].

Значительные достижения в последние годы в области исследования плазменно-наполненных СВЧ приборов продемонстрировали [20,27] несколько групп разработчиков.

Разработку сверхмощных СВЧ генераторов и усилителей, управляемых релятивистскими электронными пучками ведет Лаборатория Плазменной электроники ИОФ РАН [22-25]. Учеными этого института на плазменной ЛОВ достигнута в микросекундном импульсе пиковая мощность СВЧ излучения 40 МВт с октавной (100%) шириной частотного диапазона [23]. В последние годы перед разработчиками всего мира встала проблема Pulse-shortening ( невозможность получения достаточно длинных импульсов СВЧ энергии из-за механизма развития разряда в области взаимодействия) [20]. Предполагается, что основной вклад в развитие разряда вносит пристеночная плазма, возникающая при взаимодействии стенки волновода и электронов пучка [23]. Ученые ИОФАН полагают, что с помощью плаз-менно-наполненных СВЧ приборов удастся преодолеть этот барьер, так как в плазменных СВЧ приборах пространственный заряд электронного пучка скомпенсирован, следовательно, возможно проведение электронного пучка достаточно далеко от поверхности волновода [23].

Коллектив исследователей из Харьковского Физико-Технического Института выдвинула идею использования гибридных плазменно-волноводных замедляющих структур, представляющих собой вакуумную ЗС, пролетный канал которой заполнен плазмой [28-29]. Эта группа в последнее время получила новые результаты в теоретическом анализе пуч-ково-плазменных процессов и экспериментальном исследовании нерелятивистских плазменных генераторов на основе ламп обратной волны [30,31]. Ею были исследованы различные типы ЗС, такие как меандр-кольцо, спираль, модель коаксиальной ЗС с трубчатым электронным пучком [32]. Интересные теоретические [33-35], и экспериментальные результаты получены при изучении динамики пучково-плазменных процессов в гибридных СВЧ приборах [36].

Другая группа, из Научно-исследовательской лаборатории Hughes, США, разработала оригинальный СВЧ прибор - Pasotron, действовавший на первом этапе исследований как ЛОВ, а позже и как ЛЕВ [37-38]. В экспериментах, проведенных этой группой, были развиты два новых подхода: - в приборе использована электронная пушка с плазменным катодом, исключающая вред ионной бомбардировки катода [39-41]; -транспортировка электронного пучка через область взаимодействия обеспечивается самофокусировкой в плазменном канале в слабом магнитном поле. [42-46]. Американским исследователям удалось получить следующие технические параметры пазотрона: [45]: Рабочее напряжение 60 кВ;

Ток пучка до 80 А;

Электронный к.п.д. до 25 %.

К недостаткам следует отнести то, что данный прибор действовал только в импульсном (максимальная длительность около 100 мкс ) режиме работы и не обладал достаточным ресурсом.

Кроме того, обе эти группы не смогли перейти от стадии научных экспериментов к разработке технологически законченных отпаянных образцов, что открывало бы путь к практическому использованию плазмен-но-наполненных СВЧ приборов. Эта задача была успешно решена коллективом ученых из московского Всероссийского электротехнического института (ГНЦ РФ ВЭИ) под руководством д.т.н., профессора Переводчикова В.И.[47-50]. В ВЭИ был впервые создан отпаянный мощный пучково-плазменный усилитель (ППУ) - плазменная ЛЕВ (ПЛБВ), обладающий высокими техническими параметрами [51-53] (см. рис.1).

Реализация преимуществ гибридных плазменно-резонаторных систем потребовала детального исследования их дисперсионных характеристик и динамики взаимодействия электронного пучка с гибридными волнами, в частности, актуальной проблемой является создание достаточно достоверной математической модели плазменно-волноводной системы, адекватно представляющей дисперсионные характеристики таких систем. С другой стороны, очень важна задача разработка методов и принципов конструирования и технологии пучково-плазменных приборов, обеспечивающих требуемые рабочие характеристики и достаточно большой срок службы при наличии в приборах плазмы высокой концентрации и интенсивных электронных и ионных потоков .

Особый интерес вызывает возможность использования ПЛБВ для решения практических задач в области связи и коммуникаций. Одной из наиболее актуальных задач в настоящее время является обеспечение передачи нарастающего потока информации. Действительно, скорость передачи информации равна [54]: где С -скорость передачи информации , бит/сек;

А/7 - рабочий частотный диапазон передатчика, Гц;

1¥с ¡¥ш -соответственно энергия полезного сигнала и шума.

Кроме того, при заданной мощности сигналов помехозащищенность радиолиний определяется базой сигналов В , равной:

Таким образом, при небольшой длительности сигнала (при большой скорости передачи, для обеспечения скрытности передачи и т. д.) . высокая помехозащищенность может достигаться за счет широкого частотного спектра сигналов. В этом случае использование преимуществ, присущих ПЛБВ - высокая мощность и широкий рабочий диапазон, позволяет: - увеличить объем передаваемой информации в единицу времени; Г

С = аг^2 и V

В = АР • т. С где п - длительность сигнала.

- повысить помехозащищенность систем передачи информации;

- увеличить дальность передачи;

- упростить аппаратурную часть системы связи за счет сокращения числа приемо-передающих блоков.

Напомним, что СВЧ диапазон условно делится на несколько поддиапазонов, в том числе: 2-4 ГГц - 5-диапазон; 4-8 ГГц - С-диапазон; 8-12,5 ГГц - Х-диапазон. В этих частотных диапазонах работает большое количество коммерческих и государственных систем связи:

- линии спутниковой и радиорелейной связи;

- системы радиолокации;

- системы навигации судов , самолетов и других движущихся объектов; системы телеуправления.

Например, предварительные расчеты показывают, что для обеспечения связи на всей территории СНГ достаточно вывести на геостационарную орбиту один ретранслятор с двумя приемо-передатчиками со средней мощностью каждого передатчика 10 кВт.

Уровень мощности более 10 кВт, при необходимой ширине рабочей полосы частот, может быть обеспечен плазменной ЛБВ. Перспектива применения достаточно широкополосных и мощных ПЛБВ в системах связи вызвала необходимость исследования следующих характеристик ПЛБВ:

- интер-модуляционные и кросс-модуляционные характеристики в режиме одновременного усиления нескольких гармонических сигналов;

- уровень собственных шумов усилителя;

- уровень побочных колебаний и гармоник, в частности, возбуждение на второй и третьей гармониках усиливаемого сигнала; линейность и неравномерность амплитудной характеристики. Экспериментальному и теоретическому анализу плазменно-волноводных СВЧ структур и исследованию рабочих характеристик ПЛБВ посвящена данная работа.

Основная цель работы

- исследование плазменно-волноводных СВЧ систем на примере плазменных ЛБВ, изучение их характеристик а также проведение необходимых исследований по определению и улучшению рабочих параметров приборов.

Поставленная цель включает решение следующих конкретных научных и технических задач:

-Анализ и экспериментальное исследование электродинамических характеристик гибридных ЗС на основе цепочки связанных резонаторов (ЦСР) с плазменным заполнением канала. Исследование моделей с трубчатой плазмой и диэлектрическим зазором в пролетном канале. Экспериментальное исследование влияния плазменного заполнения на электродинамические свойства гибридных СВЧ структур, исследование дисперсионных свойств гибридной ЗС на основе ЦСР в процессе разработки плазменной ЛБВ для обеспечения оптимальных рабочих характеристик.

-Исследование возможности расширения частотного диапазона приборов. Исследование характеристик согласования гибридных ЗС при плазменном заполнении пролетного канала ПЛБВ.

-Анализ уровня паразитных и внеполосных колебаний в ПЛБВ. Разработка приборов с рабочими характеристиками, удовлетворяющими стандартам электромагнитной совместимости при работе в системах связи и коммуникаций.

-Изучение многочастотного режима работы ПЛБВ (т.е. режима одновременного усиления нескольких сигналов), измерение энергетических и спектральных характеристик возбуждения комбинационных составляющих при двухчастотной работе. Исследование кросс-модуляционных и интермодуляционных характеристик при одновременном усилении двух гармонических сигналов, определение оптимальных режимов работы ПЛБВ при работе в режиме усиления нескольких сигналов.

В работе использован комплексный подход к проведению исследований, включающий физические эксперименты и анализ их результатов, аналитические расчеты, построение математических моделей и выполнение на их основе численного моделирования, экспериментальные исследования макетов ПЛБВ на экспериментальной установке, прошедшей аттестацию по стандартным методикам и с применением оригинальных электрических, физических и СВЧ методов исследований. Для измерения дисперсионных характеристик гибридных СВЧ структур был применен метод с использованием автономного газоразрядного источника плазмы. Параметры плазмы в экспериментальном макете определялись резонаторным методом. Для снятия СВЧ характеристик ПЛБВ на основе волноводных и коаксиальных элементов были собраны и прокалиброваны специальные измерительные тракты. Шумовые и частотные характеристики ПЛБВ измерялись с помощью анализаторов спектра и измерителя спектральной плотности мощности (ИСПМ-1).

Достоверность результатов подтверждается систематическим характером экспериментальных исследований, проведенным на аттестованном оборудовании по стандартным методикам, хорошим совпадением результатов, полученным различными методами и удовлетворительным согласованием с расчетно-теоретическими моделями, как в качественном, так и в количественном отношении.

Новые научные результаты, полученные в ходе проведения исследований, можно сформулировать следующим образом:

1. Получило развитие теоретическое исследование электродинамических характеристик гибридных систем на основе цепочки связанных резонаторов (ЦСР) с плазменным заполнением канала. Проведен анализ влияния параметров плазмы и геометрии гибридной ЗС на дисперсионные и импедансные характеристики. Впервые исследованы модели с трубчатой плазмой и диэлектрическим зазором в пролетном канале гибридной ЗС типа ЦСР.

2. Предложен оригинальный резонаторный метод для определения дисперсионных характеристик гибридной ЗС на основе ЦСР с помощью автономного газоразрядного источника плазмы, который применяется на этапе разработки и изготовления плазменной ЛБВ. На основе резонаторного метода экспериментально исследовано влияние плазменного заполнения пролетного канала на электродинамические свойства гибридной ЗС. Получено хорошее совпадение экспериментальных данных с результатами разработанной программы расчета гибридной ЗС типа ЦСР.

3. С целью изучения путей улучшения рабочих параметров ПЛБВ исследованы характеристики согласования входного и выходного устройств ПЛБВ при заполнении пролетного канала плазмой различной концентрации. На основе анализа расчетно-аналитической модели-проведено экспериментальное исследование эффекта расширения диапазона усиления ПЛБВ при плазменно-волноводном взаимодействии в пролетном канале прибора. Новым результатом является экспериментально полученное расширение диапазона усиления вне полосы пропускания для вакуумного режима работы.

4. Впервые для гибридных приборов проведен детальный анализ уровня паразитных и внеполосных колебаний в ПЛБВ. Разработаны приборы с рабочими характеристиками, удовлетворяющими требованиям работы в системах связи и коммуникаций. Впервые проведено спектральное исследование шумовых характеристик макета ПЛБВ.

5. Проведено изучение процесса одновременного усиления нескольких сигналов в ПЛБВ. Получил развитие численный метод анализа многочастотного режима работы ПЛБВ, основанный на приближенном представлении сложного сигнала в виде квазигармонического с медленно изменяющейся амплитудой.

6. Исследовано возбуждение комбинационных составляющих при двух-частотной работе. Получены кросс-модуляционные и интермодуляционные характеристики макета ПЛБВ при дв.ухчастотном усилении. Определены режимы работы ПЛБВ при двухчастотном режиме работы, обеспечивающие уровни возбуждения комбинационных составляющих, которые удовлетворяют требованиям по электромагнитной совместимости.

Практическая ценность работы определяется следующими результатами:

Разработанная программа расчета электродинамических характеристик различных гибридных систем на основе цепочки связанных резонаторов (ЦСР) позволяет проводить разработку ЗС для ПЛБВ с учетом влияния плазменного заполнения пролетного канала с улучшенными рабочими характеристиками. Получено хорошее совпадение результатов численного расчета с экспериментальными измерениями на макетах;

Применение на этапе изготовления и настройки плазменной ЛБВ разработанного резонаторного метода для определения оптимальной концентрации плазмы и измерения дисперсионных характеристик гибридной ЗС на основе ЦСР позволяет упростить настройку и повысить рабочие параметры приборов;

Достигнутое значительное расширение частотного диапазона согласования и увеличение рабочего диапазона усиления макета ПЛБВ вне полосы пропускания вакуумной системы (на 20%) позволяет получить улучшенные выходные параметры ПЛБВ;

Проведенный анализ уровня побочных колебаний в ПЛБВ позволяет определить значения уровня собственных шумов прибора при частотно-импульсном и непрерывном режиме работы источников питания. Разработанные приборыобладают характеристиками, удовлетворяющими требованиям работы в системах связи и коммуникаций (уровень спектральной плотности шума не более 1.0мкВт\Мгц в исследованной полосе частот);

- Развит метод анализа многочастотного режима работы ПЛБВ, позволяющий достоверно моделировать и исследовать интермодуляционные и кросс-модуляционные характеристики разрабатываемых приборов с учетом параметров реальной амплитудной характеристики плазменной ЛБВ.

-Результаты исследования многочастотного режима работы ПЛБВ, в частности, возбуждения комбинационных составляющих при двухчастот-ной работе, позволяют определить режимы работы ПЛБВ, обеспечивающие уровень комбинационных составляющих при одновременном усилении двух гармонических сигналов не более минус 27 дБ относительно уровня основных усиливаемых сигналов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Расчетно-аналитическая модель гибридной ЗС с плазменным заполнением пролетного канала, в том числе с трубчатой плазмой и диэлектрическим зазором в пролетном канале, позволяющая достоверно анализировать влияние параметров плазмы, магнитного поля и геометрии гибридной ЗС на дисперсионные и импедансные характеристики исследуемой ЗС.

2. Разработанный резонаторный метод для измерения дисперсионных характеристик гибридной замедляющей системы на основе ЦСР, позволяющий проводить настройку и повысить параметры разрабатываемых приборов.

3. Значительное увеличение частотного диапазона усиления ПЛБВ вне полосы пропускания вакуумного режима, что достигается при определен

11 3 ной концентрации плазмы в пролетном канале ЦСР (~3х10 см" ).

4. Достигнутый интегральный уровень шумов, не более 1мкВт/МГц в исследованной полосе частот, превышающей в три раза рабочую полосу частот, полученный на основе проведенного анализа уровня побочных колебаний в ПЛБВ.

5. Развитый численный метод, примененный для анализа многочастотного режима работы ПЛБВ, основанный на приближенном представлении сложного сигнала в виде квазигармонического с медленно изменяющейся амплитудой, позволяющий достоверно моделировать и исследовать интермодуляционные и кросс-модуляционные характеристики разрабатываемых ПЛБВ на основе экспериментальной амплитудной характеристики.

6. Измеренный уровень комбинационных составляющих (не более -27дБ), который может быть обеспечен при одновременном усилении двух гармонических СВЧ сигналов в плазменной ЛБВ.

Структурно работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.

Во введении приведен сжатый обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных силовой плазменной СВЧ электронике. Обзор, в основном, посвящен плазменным СВЧ генераторам и усилителям с нерелятивистскими электронными пучками.

За последнее десятилетие в этой области достигнут значительный прогресс. Главный результат этих исследований - созданы мощные приборы, реализующие основные достоинства гибридных пучково-плазменных приборов:

- объемный характер возбуждаемых волн, приводящий к значительному увеличению коэффициента усиления и к.п.д.;

- возможность изменением концентрации плазмы перестраивать частоты генерируемых СВЧ колебаний; возможность увеличения мощности колебаний путем увеличения предельного тока, обусловленного компенсацией сил пространственного заряда;

- возможность управления спектром СВЧ - колебаний.

Кроме обзора, во введении сформулированы цели и задачи работы, изложены основные результаты, полученные автором, приведены положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена теоретическому анализу гибридных плазмен-но-волноводных систем. Описываются программы расчета и оптимизации различных моделей гибридной замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов [54]. В основу программы численного расчета замедляющей структуры типа цепочки связанных резонаторов с плазменным заполнением пролетного канала положен метод частичных областей в сочетании с методом эквивалентных четырехполюсников. Результатом расчета являются зависимости частоты, сопротивления связи и замедления системы, которые представляются в графическом виде и файлов данных, полученных для замедляющей структуры с заданными геометрическими размерами. В работе приведены результаты расчета дисперсии и сопротивления связи. Показано, что в гибридной ЗС по сравнению с вакуумной системой существенно возрастает сопротивление связи, а при изменении параметров плазменного волновода возможно управление частотным диапазоном прибора. В работе также рассмотрены еще две физических модели плазменного волновода, представляющих интерес для исследований: -первая модель включает систему с диэлектрическим зазором между поверхностью трубок дрейфа и плазменным столбом. Результаты расчета показывают, что наличие зазора ухудшает импедансные характеристики ЗС и это необходимо учитывать при расчете электронно-оптической системы прибора;

-вторая модель рассматривает гибридную систему с трубчатой плазмой. При этом из анализа следует, что в такой системе выравнивается распределение поля внутри плазменного волновода и увеличивается сопротивление связи, что позволяет сделать вывод о перспективности применения такой системы при разработке новых приборов.

Во второй главе приведены результаты экспериментального исследования электродинамических свойств гибридной ЗС типа цепочки связанных резонаторов с плазменным заполнением пролетного канала.

В разделе 2.1. рассмотрен оригинальный метод экспериментального исследования дисперсионных характеристик гибридной замедляющей структуры типа ЦСР с использованием автономного газоразрядного источника плазмы. Метод позволяет проводить исследования СВЧ характеристик плазменно-волноводных СВЧ -структур на этапах изготовления и настройки приборов с учетом влияния плазменного заполнения пролетного канала. При этом оценивается значение концентрации плазмы в ПЛБВ и ее влияние на дисперсию системы.

В разделе 2.2. представлены результаты экспериментов по исследованию эффекта расширения частотного диапазона согласования и усиления ПЛБВ. Исследованы характеристики согласующих устройств волноводного и коаксиального типа с учетом влияния плазменного заполнения пролетного канала. Показано, что плазменное заполнение вызывает сдвиг полосы согласования в область более высоких частот, что соответствует теоретическим представлениям [35,55-62] . Установлено удовлетворительное совпадение данных численного моделирования с экспериментальными результатами. В эксперименте получено расширение частотного диапазона усиления и согласования ПЛБВ вне полосы пропускания вакуумной системы (на 20% по сравнению с «вакуумной» полосой).

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию параметров плазменных ЛБВ. В разделе 3.1. описана конструкция мощной ПЛБВ, в разделе 3.2. представлены состав и основные параметры созданного уникального экспериментального комплекса для проведения исследований гибридных плазменных приборов. Комплекс состоит из следующих частей: - стенд источников питания; - пультовая; - СВЧ камера - экранированная комната ; система электрических измерений; -система измерений СВЧ характеристик; -система сбора и обработки данных на основе персонального компьютера. Приведены основные технические характеристики источников питания.

Раздел 3.3. представляет методики измерения СВЧ характеристик мощных ППУ. Приведены структура и характеристики системы канализации и измерения СВЧ колебаний. Описана использованная оригинальная методика измерения характеристик СВЧ сигналов, основанная на использовании панорамного измерителя спектральной плотности мощности и волноводного разделителя колебаний.

Основные экспериментальные характеристики ПЛБВ представлены в разделе 3.4. Здесь приведены результаты исследования амплитудных и частотных характеристик макетов ПЛБВ и описаны методики и схемы измерений основных параметров мощных ПЛБВ

В четвертой главе представлены результаты исследования СВЧ характеристик ПЛБВ, необходимых для анализа возможности применения ПЛБВ для работы в системах связи.

В разделе 4.1. приводятся результаты исследования многочастотного режима работы ПЛБВ (т.е. режима одновременного усиления нескольких сигналов). В работе развит оригинальный численный метод анализа многочастотного режима работы ПЛБВ, основанный на приближенном представлении сложного сигнала в виде квазигармонического с медленно меняющимися амплитудой. Данный метод позволяет на основе экспериментальной амплитудной характеристики реального макета ПЛБВ достоверно моделировать и исследовать интер-модуляционные и кросс-модуляционные характеристики разрабатываемых ПЛБВ. Разработанный на основе пакета «МаШсасЬ программный модуль позволяет рассчитывать абсолютные и относительные уровни мощности комбинационных составляющих , возникающих при двухчастотном усилении. В работе приведены различные зависимости и спектральные диаграммы комбинационных составляющих выходного СВЧ сигнала.

Исследованы режимы возбуждения комбинационных составляющих при двухчастотной работе экспериментального макета ПЛБВ. Получены кросс-модуляционные и интер-модуляционные характеристики макета ПЛБВ при двухчастотном воздействии. Определены оптимальные режимы работы ПЛБВ для двухчастотного режима работы.

Для гибридных приборов впервые проведен частотный анализ уровня паразитных и внеполосных колебаний в ПЛБВ. Экспериментально измерен уровень и спектральный состав собственных шумов ПЛБВ в одноволновом режиме. Анализ спектра собственного шума ПЛБВ проводился с помощью панорамного измерителя спектральной плотности мощности ИСПМ-1.

Полученные результаты позволяют оценить отношение интегральной мощности шума к мощности на выходе (-75 дБ в рабочей полосе частот и отношение интегральной мощности шума в исследованной полосе частот к мощности на выходе ПЛБВ -65 дБ).

Для ряда прикладных задач требуется частотно-импульсный режим работы источников питания ПЛБВ, при котором модуляция выходного излучения может быть реализована не только управлением входного СВЧ колебания, но и импульсным режимом работы питания электронной пушки, что повышает эффективность работы ПЛБВ. Представлены результаты исследования шумовых характеристик мощной ПЛБВ в частотно-импульсном режиме питания.

В заключении кратко изложены и сформулированы основные практические и научные результаты диссертации.

В данной работе получило развитие теоретическое исследование электродинамических характеристик различных гибридных систем на основе цепочки связанных резонаторов (ЦСР), в том числе моделей с трубчатой плазмой и диэлектрическим зазором в пролетном канале. Разработан оригинальный резонаторный метод для измерения дисперсионных характеристик гибридных ЗС, позволяющий проводить их настройку и улучшать выходные параметры приборов.

По результатам исследования характеристик согласования входного и выходного согласующего устройства макета ПЛБВ при заполнении пролетного канала плазмой различной концентрации в эксперименте оценено

11 ^ значение концентрации плазмы (-3x10 см" ) в канале ЦСР, при которой достигнуто значительное увеличение частотного диапазона усиления ПЛБВ вне полосы пропускания вакуумной ЗС ( на 20% по сравнению с вакуумным режимом работы).

Впервые для гибридных приборов проведен спектральный анализ уровня паразитных и внеполосных колебаний в ПЛБВ. Измерено значение спектральной плотности мощности шумов (не более 1 мкВт/МГц в исследованной полосе частот, превышающей в три раза рабочую полосу частот).

Проведены численное моделирование и экспериментальное исследование режима одновременного усиления нескольких сигналов в ПЛБВ. Исследованы экспериментальные кросс-модуляционные и интермодуляционные характеристики макета ПЛБВ при двухчастотном воздействии. Обеспечены приемлимые по электромагнитной совместимости уровни возбуждения комбинационных составляющих (не более -27 дБ относительно уровня основных сигналов).

Автор считает своим приятным долгом высказать слова особой признательности за всемерную поддержку профессору В.И.Переводчикову, под чьим творческим руководством успешно трудятся или трудились все те, с помощью и участием кого проводилась данная работа: П.И.Акимов, Г,Н,Буров, В.Г.Волков, И.В.Волокитенкова, А.Д.Григорьев, С.И.Гусев, М.А.Ефанов, М.А.Завьялов, В.Н.Иванов, В.А.Конкин, А.Г.Коротков. Ю.А.Кузнецов, Л.Б.Кузнецов, Л.И.Лобов М.И.Лысова, В.А.Мейев, И.И.Неня, А.П.Нефеденкова, В.И.Позднов, Т.В.Полхирева, А.С.Соболева, В.М.Стученков, В.И.Токарев, П.М.Тюрюканов, В.Н.Цхай, В.Н.Шапенко, А.Л.Шапиро, Э.Д.Шлифер, В.Н.Чупров. К ним автор обращается со словами самой глубокой благодарности.

Кроме того автор хотел бы почтить светлую память тех людей, с кем его сводила общая работа:

М. А. Власова, |Л. А. Лукьянова, Л.А.Митина, В.А.Хасанова

Рис.1. Фотография пучково-плазменного усилителя -плазменной лампы бегущей волны (ПЛБВ).

Выводы по четвертой главе.

Обобщение и анализ методов уменьшения уровня ПК в СВЧ приборах (см.[107,116]) позволяет провести следующую классификацию: -методы компенсации предполагают формирование на входе ЛБВ или внутри прибора (путем введения дополнительных нерегулярных, запредельных участков и т.п.в конструкцию ЗС) специального нелинейного взаимодействия СВЧ колебаний, обеспечивающего подавление ПК; -методы фильтрации обеспечивают требуемое затухание ПК до приемлемого уровня путем введения внутри ЗС или в выходном тракте ЛБВ узкополосных или широкополосных частотных;

-методы оптимизации предполагают выбор такой комбинации входных параметров и рабочих режимов ЛБВ, которая обеспечивает минимальный уровень ПК при сохранении оптимальной мощности основного колебания.

Результаты проведенных исследований по анализу спектра и уровня мощности побочных колебаний, возникающих при работе мощной широкополосной ПЛБВ показали, что по уровню ПК ПЛБВ сопоставима с традиционными усилителями. Это отражено в сравнительной таблице основных параметров мощных широкополосных ЛБВ [117].

1 ЪЬ

Тип ЛБВБ , изготовитель ПЛБВ, ВЭИ, Россия УТС- 6373М1 США УТХ- 6389с1 США угс- 5967АВ, США УТС- 6369С2, США ЛБВ, Исток, Россия ТН-3640 ТЪотзоп ТН-3702 ТЪотБоп

Параметры прибора Ед. изм.

Выходная СВЧ мощность кВт 25,0 3.0 0,9 0.62 3,0 1,2 3.3 1.0

Частотный диапазон усиления МГц 58506650 79008400 58606650 58506425 57008400 58506425 1400014700

Относительный частотный диапазон усиления %, 25 13 6 13 10 40 10 5,0

К.п.д. % 35 18 15 40(общ) 21 25 33 33

Рабочий ток пучка А 3.5 0,51 0,95 0,7 1.4

Напряжение пучка кВ 20 11,4 15,0 11,8 13.4

Коэффициент усиления дБ 21 50 75 35 57 58

Неравномерность АХ дБ/МГц 0,03 0,02 0,005 0.022 0.02

Уровень второй гармоники, не более дБ -42 -60 -60 -15

Уровень собственных шумов, не более дБ -75 -60 -60 -40 -44

Уровень комбинационных составляющихЗ-го порядка дБ -27 -24 -24 -23,5 -18 -27 -28

Исходя из того, что все обнаруженные побочные колебания являются внеполосными и относительно маломощными, в качестве основного метода уменьшения уровня ПК может быть использование различных фильтров. Фильтры могут быть расположены как внутри ЗС [111], так и снаружи, в выходном СВЧ тракте.

- На основе проведенного анализа уровня ПК в ПЛБВ определены значения рабочих параметров прибора, при которых достигается интегральный уровень шумов, не более 1мкВт/МГц в исследованной полосе, превышающей в три раза рабочую полосу частот;

- Полученные результаты анализа уровня собственных шумов ПЛБВ в непрерывном режиме позволяют оценить отношение интегральной мощности шума к мощности на выходе ПЛБВ (10 кВт) не хуже -75 дБ в рабочей полосе частот и отношение интегральной мощности шума к мощности на выходе ПЛБВ (-65 дБ) во всей исследованной полосе частот.

- Экспериментально измерен уровень ПК ПЛБВ в частотно-импульсном режиме работы источников питания режиме (-45дБ). Показано, что эти шумы вызваны самовозбуждением ПЛБВ при прохождении фронта импульса питания и что уровень шумов пропорционален длительности фронта импульса. Из условий электромагнитной совместимости сформировано техническое требование к длительности фронта - не более 5 мкс.

- Разработанный численный метод анализа многочастотного режима усиления сигналов ПЛБВ, позволил на основе амплитудной характеристики образцов ПЛБВ достоверно моделировать интер-модуляционные и кросс-модуляционные характеристики разрабатываемых ПЛБВ.

- Экспериментально исследовано возбуждение комбинационных составляющих при двухчастотной работе. Изучены кросс- и интермодуляционные и характеристики ПЛБВ, позволяющие определить режимы работы ПЛБВ, обеспечивающие уровень комбинационных составляющих второго порядка (при одновременном усилении двух гармонических сигналов) не более минус 27 дБ относительно уровня основных сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований были получены следующие наиболее значимые научные и практические результаты.

1. Созданные расчетно-аналитические модели гибридной ЗС с плазменным заполнением пролетного канала, в том числе с трубчатой плазмой и диэлектрическим зазором в пролетном канале, позволяют достоверно анализировать влияние различных параметров плазмы, магнитного поля и геометрии гибридной ЗС на дисперсионные и импедансные характеристики исследуемой ЗС.

2. Разработанная программа расчета с блоком начального синтеза ЦСР позволяет проводить инженерную разработку ЗС для ПЛБВ с требуемыми техническими данными Получено хорошее совпадение результатов численного расчета с экспериментальными измерениями на макетах.

3. Анализ модели с зазором между поверхностью трубок дрейфа и плазменным столбом показывает, что наличие зазора ухудшает импедансные характеристики ЗС и это необходимо учитывать при расчете оптической системы прибора.

4. Результаты расчета модели с трубчатой плазмой позволяют сделать вывод, что в такой системе выравнивается распределение поля внутри плазменного волновода и увеличивается сопротивление связи, что позволяет сделать вывод о перспективности применения такой системы при разработке новых приборов.

5. Применение на этапе изготовления и настройки плазменной ЛЕВ разработанного оригинального резонаторного метода определения влияния плазмы на дисперсионные характеристики гибридной ЗС на основе ЦСР позволяет упростить настройку и повысить параметры приборов.

6. Получено значительное увеличение частотного диапазона усиления макета плазменной ЛБВ вне зоны пропускания для вакуумного прибора, позволяющее расширить диапазон усиления макета ПЛБВ (на 20% по сравнению с вакуумным режимом работы), что достигается при определенном значении концентрации плазмы в

113 пролетном канале ЦСР (~3,0*10 см" ).

7. Для комплексного экспериментального исследования образцов ПЛБВ была разработан и создан испытательный комплекс, позволяющий проводить широкий спектр исследований по изучению физических, электротехнических и СВЧ характеристик.

8. В ходе испытаний образцов ПЛБВ были разработаны, освоены и аттестованы оригинальные экспериментальные методики, позволяющие получать АХ, АЧХ и другие рабочие и СВЧ характеристики приборов, в том числе оригинальная методика исследования спектральных характеристик СВЧ колебаний.

9. На основе проведенного анализа уровня побочных колебаний в ПЛБВ определено значение интегрального уровня шумов, не более 1.0мкВт/МГц в исследованной полосе частот, превышающей в три раза рабочую полосу частот.

10. Полученные результаты анализа уровня собственных шумов ПЛБВ в непрерывном режиме работы источника ускоряющего напряжения позволили определить следующие параметры: -отношение интегральной мощности шума к мощности на выходе ПЛБВ (10 кВт) - не хуже -75 дБ в рабочей полосе частот; -отношение интегральной мощности шума во всей исследованной полосе частот к мощности на выходе ПЛБВ -65дБ.

11. Экспериментально измерен уровень побочных колебаний ПЛБВ в частотно-импульсном режиме работы источников питания (-45 дБ в исследованной полосе частот). Показано, что эти шумы вызваны самовозбуждением ПЛБВ при прохождении фронта импульса питания и что уровень шумов пропорционален длительности фронта импульса. Исходя из требований электромагнитной совместимости, сформировано техническое требование к длительности фронта - не более 5 мкс.

12. Разработанный численный метод анализа многочастотного режима усиления сигналов с близкими частотами позволяет достоверно моделировать и исследовать интер-модуляционные и кросс-модуляционные характеристики разрабатываемых ПЛБВ. Основой для моделирования являются амплитудные характеристики конкретных образцов ПЛБВ.

13. Экспериментально исследовано возбуждение комбинационных составляющих при двухчастотной работе. Изучены кросс-модуляционные и интер-модуляционные характеристики макета ПЛБВ при двухчастотном усилении. Определены режимы работы ПЛБВ, обеспечивающие уровень комбинационных составляющих третьего порядка (при одновременном усилении двух гармонических сигналов) не более минус 27дБ относительно уровня основных усиливаемых сигналов.

14. Были испытаны образцы пучково-плазменных ЛБВ. Результаты экспериментальных исследований их рабочих характеристик позволили сделать вывод о высоких выходных параметрах приборов а также о соответствии основных теоретических представлений с физическими механизмами, имеющими место в реальных приборах.

15. Разработанные макеты мощных широкополосных ПЛБВ обладают следующими рабочими характеристиками, удовлетворяющими требованиям работы в системах связи и коммуникаций:

Выходная СВЧ мощность кВт 25

Частотный диапазон усиления % 30

К.п.д. % 35

Ускоряющее напряжение кВ 20

Ток пучка А 3.5

Коэффициент усиления, не менее дБ 21

Коэффициент токопрохождения, не менее % 95

Уровень возбуждения второй гармоники, дБ -42 не более

Уровень собственных шумов, не более мкВт/МГц 1,0

Уровень комбинационных составляющих дБ -27 третьего порядка, не более

1. Пирс Д ж. Лампа с бегущей волной. Пер. с англ. Под ред.В. Т. Овчарова. М., «Сов. радио», 1952.

2. Горбачевская З.М. Состояние и тенденции развития зарубежных ЛБВ. Обзор по ЭТ. Серия ЭТ, вып. 10, М., 1984, с.70.

3. Роу Дж.Е. Теория нелинейных явлений в приборах СВЧ. «Советское радио», М. 1969.

4. Григорьев А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резо-наторные замедляющие системы СВЧ: Численные методы расчета и проектирования. М.: Радио и связь, 1984.

5. Ахиезер А.И. ФайнбергЯ.Б. ДАН СССР. 1949. Т. 69. С. 555.

6. Bom D., Gross Е. Журнал Phys. Rev. 1949. V. 75. P. 1851.

7. Бернашевский Г.А., Богданов Е.В., Кислое В.Я„ Чернов З.С. Плазменные электронные усилители и генераторы СВЧ. М.: Сов. радио, 1965.

8. Генерирование, усиление и преобразование СВЧ колебаний с помощью плазмы. Сборник, Обзор по ЭТ. Серия ЭТ, М.1968.

9. Генерирование, усиление и преобразование СВЧ колебаний с помощью плазмы. Сборник, Обзор по ЭТ. Серия ЭТ, М.1971.

10. Колебания СВЧ в плазме. Сборник статей под ред. Бернашевского Г.А., Чернова З.С. М., ИЛ, 1961.

11. П.А.И.Рогашкова, М.Б. Цейтлин « Нелинейная теория плазменной ЛБВ», ЭТ, Сер.Электроника СВЧ, 1967, вып. 7, с.3-9.

12. Левин МЛ. Журн. техн. физики. 1951.Т.21.С.787

13. Ахиезер А.И., Любарский Г.Я. ЖТФ. 1955. Т. 25. С. 1597.

14. Кондратенко А.Н. Плазменные волноводы, М. Атомиздат, 1976.

15. Кондратенко А.Н., Куклин В.М., Основы плазменной электроники, М. Энерготомиздат, 1988.

16. Т. W. Johnston, Proc. IEEE, vol.69, p.149, 1981.

17. В.И. Кременцов, A.A. Рухадзе, П.С. Стрелков, М.С.Рабинович. ЖЭТФ, т.69,с.1218, 1975.

18. Noise in Electron Devices, L. D. Smullin and H. A. Haus, Eds. New York: Wiley, 1959.

19. Кузелев M.B., Рухадзе A.A., Богданкеви Л.С. "Плазменная СВЧ-электроника», «УФН», т. 133, с.З, 1981.

20. Кузелев M.B., Рухадзе A.A., Стрелков П.С., Шкварунец А.Г. II Физика плазмы. 1987. Т. 13. С. 1370.

21. М. V. Kuzelev, A. A. Rukhadze, P. S. Strelkov, and А. 6. Shkvarunets, "Relativistic high-current plasma microwave electronics: Advantages, progress, and outlook," Ft. Plazmy, vol.13, pp.1370-1382, 1987;

22. O.T.Losa, P.S.Strelkov, and I.E.Ivanov " Relativistic Cherenkov Plasma Maser'V'/ЯЯЯ Trans. Plasma Set, vol.26, pp. 336-339, June. 1998.

23. M.B.Кузелев, П.С. Стрелков, А.А.Рухадзе, « Плазменный релятивисткий СВЧ-генератор», ЖТФ, т.54, с.780, 1982

24. П.С. Стрелков, А.Г. Шкварунец, А.В.Пономарев, «Пучково-плазменный релятивисткий СВЧ-усилитель», Физика плазмы, т.24, №1, с.48-52, 1998

25. M.J.Arman "Plasma-Filled Gyro-BWO" IEEE Trans. Plosmo Set, vol.26, pp. 693-698, June. 1998.

26. Y. Carmel, Т. M. Antonsen, Jr.,G.S. Nusinovich, D. M. Goebel," Recent progress in the Development of Plasma-Filled TWT's and BWO's"," IEEE Trans. Plosmo Sci., vol.26, pp. 693-698, June. 1998.

27. Ткач Ю.В. Файнберг Я.Б„ Гадецкий Н.П. и др. Укр. физ. журн. 1978. Т. 23. С. 1902.

28. Файнберг Я.Б., Блиох Ю.П., Корнилов Е.А. и др. Докл. АН УССР, Физ.-мат. и тех. науки. 1990. №11. С. 55.

29. Березин А.К„ Буц В.А., Ковалъчук Е.А. и др. Пре-принт ХФТИ № 9152. Харьков: Цнииатомин-форм, 1991.

30. Корнилов Е.А., Ковпик О.Ф., Коростелев А.Н. и др. IV Симпозиум по сильноточной электронике. Тез. докл. Россия, 1992. С. 171.

31. Файнберг Я.Б., Блиох Ю.П., Корнилов Е.А. и др. «Пучково-плазменный генератор», Физика плазмы, т.20, №9, с.777, 1994.

32. Березин А.К„ Файнберг Я.Б., Ковалъчук Е.А. и др. «Пучково-плазменный генератор стохастических колебаний», Физика плазмы, т.20, №9, с.790, 1994.

33. Трубецков Д.И„ Пищик Л.А. Физика плазмы. 1989. Т. 15. С. 342.

34. Файнберг Я.Б., Блиох Ю.П.,М.Г.Любарский, и др. «Электродинамика гибридных плазменно-волноводных замедляющих систем», Доклады АН УССР, №11, с.77, 1990.

35. Balakirev VA. Onishchenko I.N. Sotnikov G.V. Kharkov Intern. Seminar Workshop on Plasma, Laser and Linear Collective Accelerators. October 6-9 1992, Kharkov. P. 23.

36. D. M. Goebel, E. S. Ponti, 3. R. Feicht. and R. M. Watkins, SPIE Conference 96, Intense Microwave Pulses IV, 1996, Denser, Co (International Society of Optical Engineers. Bellingham, WA, 1996) Vol. 2843, p.69.

37. D.M. Goebel, 3. M. Butler. R. M. Schumacher, 3. Santoro, and R. L.Ejsenhart, IEEE Trans. Plasma Sci. ,v.22, p.547 1994.

38. D. M. Goebel, 3. M. Butler, R. W. Schumacher, 3. Santoro, and R. L. Eisenhart, "High-power microwave source based on an BWO," IEEE Trans. Plosmo Sci., vol.22, pp. 547-553, Oct. 1994.

39. D. M. Goebel, R. W. Schumacher, and R. M. Watkins, "Long-pulse plasma cathode С gun," in Proc. 9th InL Conf High-Power Particle Beams, Washington, DC, May 1992, vol.11, pp. 1093-1098.

40. D. M. Goebel and R. W. Schumacher, "High current, low pressure plasma cathode electron gun," U.S. Patent 5537005, July 1996.

41. D. M. Goebel, "Cold-cathode, pulsed-power plasma discharge switch," Rev. Sci. Instrum., vol.67, p.3136, 1996.

42. D. M. Goebel, E. S. Ponti, 3. R. Feicht, and R. M. Watkins, "Pasotron highpower microwave source performance," in Proc. Intense Microwave Pulses1., Denver CO, Aug.1996, vol.2843, pp.69-78.

43. E. S. PantS, D. M. Goebel, R. L. Poeschel, and R. M. Watkins, "Beam focusing and plasma channel formation in the Pasotron HPM source," Intense Microwave Pulses IVProc. SPIE, vol.2843, pp. 240-250, 1996.

44. D. M. Goebel, R. W. Schumacher, and R. L. Eisenhart, "Perfomance and Pulse Shortening in 200-kV PASATRON HPM" IEEE Trans. Plosmo Sci., vol.26, pp. 354-366, June. 1998.

45. A6.Carmel Y„ Minami K., Kohs RA. et al. Журнал Physic. Rev. Letters. 1989.1. V. 62. P. 2389.

46. Al .Завьялов MA„ Мартынов В. О., МитинЛА. и др. IV Симпозиум по сильноточной электронике. Тез. докл. Россия, 1992. С. 132.

47. М.А. Zavjalov, L.A. Mitin, V.I. Perevodchikov et al. IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 22, № 5, p. 600, 1994.

48. Г.И. Бацких, И.Г. Гуреев, М.А. Завьялов и др. Радиотехника и электроника. 1993. № 9. С. 1681-1685.

49. JI.A. Митин, В.И. Переводчиков, М.А. Завьялов и др. Физика плазмы. 1994. Том 20. № 7,8. С. 733-746.

50. Пучково-плазменные процессы в электронно-лучевой аппаратуре. Сборник трудов, М. ВЭИ, 1994.

51. Сотников Г.В., Корнилов Е.А., Марков П.И. «Усиление СВЧ колебаний в коаксиальной ЗС, заполненной плазмой», Сб. Севастополь, Украина, 1997, т.2, с.с. 437-439.

52. П.В. Боровиков, А.Д. Григорьев, В.А. Мейев и др., Известия ЛЭТИ, выпуск № 3,с.72, 1991 г.

53. Р.К.Диксон. «Широкополосные системы», М., Связь, 1979.

54. N. I. Karbushev, V. A. Kolosov, Е. 1. Ostreosky, and A. I. Polovkov,"Hybrid plasma slow-wave structures for linacs and microwave power sources," in Pulsed RE Sources AlP ConfProc. 537,Montauk, NY, Oct. 1994.

55. Kobayashi, Т. M. Antonsen, Jr., and 6.5. Nusinovich, "Linear theory of a plasma-loaded, helix-type, slow-wave amplifier," this issue, pp. 669-679.

56. G.S. Nusinovich, L. A. Mitin, and A. N. Vlasov, "Space charge effects in plasma-filled traveling-wave tubes," Phys. Plosmos, vol.4, p. 4394, 1997.

57. V. L. Bratman, N. S. Ginzburg, M. A. Shapiro, "Theory of Cherenkov microwave plasma devices," Izv. VUZov, vol.24, pp.763-768,1981.

58. G.S. Nusinovich, Т. M. Antonsen Jr., V. L. Bratman, and N. S. Ginzburg, Applications of High-Power Microwaves, A. V. Gaponov-Grekhov and V. L. Granatstein, Eds. Boston, MA: Artech House, 1994, ch. 2.

59. A. W. Trivelpice, Slow-Wave Propagation in Plasma Waveguides. Sail Francisco, CA: San Francisco Press, 1967.

60. Мощные электровакуумные приборы СВЧ, pefl.L.Clampitt, .М. Мир, 1974;

61. Григорьев А.Д., Мейев В.А. Программа расчета характеристик ЗС типа ЦСР,«Электронная техника. Сер. 1.Электроника СВЧ», 1985, № 1, с. 69.

62. Мухин С.В., Солнцев В.А., Никонов Д.Ю. Исследование возможности расширения полосы частот ЗС для мощных ЛЕВ, труды LIV сессии РНТОРЭС, с.179-180, Москва, 1999.

63. Y. Carmel, К. Minami, R. A. Kebs, W. W. Destler, V. L. Granatstein,

64. D. Abe, and W. L. Loa, "Demonstration of efficiency enhancement in a high- power backward-wave oscillator by plasma injection," Phys. Rev. Letr, vol.62, pp.2389.2392; 1989.

65. N.J. Dionne, "Harmonic generation in octave bandwidth traveling-wave tubes," IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-17, pp. 365-372, 1970.

66. H. L. Buchanan, "Electron beam propagation in the ion-focused regime," Phys. Fluids, vol.30, pp. 221-231, 1987.

67. В.А.Сухов, Т.Е.Колобаева, А.Г.Рудакова, «Расчет ЗС типа ЦСР»,— «Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ», 1976, № 11, с. 78.

68. Мухин С.В., Солнцев В.А., Панов В.А. Программный комплекс «VEGA» для моделирования процессов дискретного взаимодействия в ЛЕВ, труды LIV сессии РНТОРЭС, с.179-180, Москва, 1999.

69. P.V. Borovikov, S.W.A.Gielkens, P.J.Peters, V.N.Tskhai, "A long-pulse 300 keV electron gun with a plasma cathode", Rev. Sci. Instrum., vol.67, p.2449-2452, 1996.

70. Мухин С.В., Солнцев В.А., Предельные случаи расширения полосы пропускания ЗС, Изв. ВУЗов, сер. Радиоэлектроника, №10, с.35-38, 1990.

71. М.A. Zavjalov, P.Borovikov, V.I. Perevodchikov et al.,"High Power Wide Bandwidth Plasma-beam Amplifier", Proc. of Int. Vacuum Electronics Conf., Monterey, 2000.

72. П.В. Боровиков, М.А. Завьялов, В.А.Конкин, Метод теплых испытаний гибридных электродинамических структур СВЧ, Сб."Научная сессия МИФИ-2000", М.2000, с.50.

73. П.В. Боровиков, М.А. Завьялов, В.А.Конкин, труды IV конф. по СВЧ электронике, с.335-337, Санкт-Петербург, 1999г.

74. Batskikh GJ., Gureev K.G., Karbushev N.N., Proc. of the 8 Inter.Conf. on High Power Particle Beeams.Novosibirsk. 1990. V. 2. P. 1173.

75. Лебедев A.H. Техника СВЧ, т.1, M., 1974.

76. Голант В.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы, М., Наука, 1968.

77. Голант В.Е., Анисимов А.И., Виноградов Н.И., Сб. «Диагностика плазмы» М. Атомиздат, 1963, с.95.

78. Голант В.Е., Анисимов А.И., Виноградов H.H., ЖТФ, т.ЗЗ, с. 1370, 1963.

79. A.A. Китайцев, В.А. Конкин, Л.Н. Крацкин и др. Сб. науч. трудов №1. М.: Моск. энерг. ин-т. 1991 г. С. 40 41.

80. Волков М.А., Геворкян В.М. Китайцев A.A. Ферритовый датчик-преобразователь высокого уровня мощности с перестройкой динамического диапазона. Тр. Моск. энерг. ин-т. 1979, вып.437, с. 46-59

81. Китайцев A.A., Радченко В.Ф. Измерение спектральной плотности мощности случайных процессов. Тр.МЭИ, 1975, вып. 278. с. 37-43.

82. Балаков В.Ф., Карцев В.А., Китайцев A.A. и др. Измерители параметров СВЧ сигналов на монокристаллах ферритов. Труды МЭИ, Тематический сборник Твердотельная СВЧ радиофизика и микроэлектроника'; вып. 464, :ч., 1980, с. 44-53.

83. Завьялов М.А., Цхай В.Н., Китайцев A.A. и др« Исследование характеристик мощного широкополосного пучково-плазменного усилителя СВЧ колебаний : Материалы Крымской конференции "СВЧ техника и спутниковый прием". Севастополь, 1993 г. Т. 5: с. 534-537.

84. Балаков В.Ф., Буряк В.С, и др. Применение разделителя колебаний и ферритовых преобразователей для анализа побочных колебаний .в волноводных трактах . Радиотехника. 1989, №3

85. Валахов В.ф., Буряк В.С.,Крацкин JI.H., Леонов A.M., Пучков B.C. Измерение побочных колебаний СВЧ-приборов. Сб.науч.трудов №123, с. 61-64, Моск. энерг.ин-т. 1987.

86. Чен Ф. Введение в физику плазмы, М., Мир, 1987, с.334-335.

87. Незлин М.В. Динамика пучков в плазме.-М., Энергоиздат, 1982

88. Малышенко В.П., Солнцев В.А. Нелинейный анализ двухчастотного режима работы ЛБВ при близких частотах. «Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ», 1969, № 10,с. 72.

89. Щербаков В. В. Уравнения ЛБВ-усилителя сложных сигналов в режиме слабой нелинейности. — «Вопросы радиоэлектроники. Сер. 1. Электроника», 1965, № 2, с. 27.

90. Щербаков В. В. Нелинейные уравнения ЛБВ в случае усиления сложных сигналов.— «Вопросы радиоэлектроники. Сер. 1. «Электроника СВЧ», 1965, № 3, с. 23.

91. Кац A.M., Ильина Е.М. Теоретическое исследование многочастотного режима работы ЛБВ. — «Электронная техника.Сер.1 . Электроника СВЧ», 1966, №7, с. 3.

92. Ильина Е. М., Кац А. М., Милютин Д. Д., Нудельман Я. Е., Штерн В.А., Частный случай двухчастотного режима работы ЛБВ.—«Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ», 1971, № 12, с. 3.

93. Кац А. М., Ильина Е. М. Расчет интенсивности комбинационных составляющих при воздействии двух гармонических сигналов на ЛБВ.«Электронная техника. Сер. 1. ЭлектроникаСВЧ», 1967, № 9, с. 32.

94. Азов Г.А., Назарова М.В., Погребкова Н.С. Влияние коэффициента усиления ЛБВ на уровень комбинационных составляющих многочастотного сигнала.«Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ», 1990, №2, с.7-9.

95. Вайнштейн JI. А. Нелинейная теория ЛБВ. Ч. I.— «Радиотехника и электроника», 1957, т. 2, № 7, с. 883.

96. Малышенко В.И., Осин А.В. Солнцев В.А. Нелинейные фазовые искажения в ЛБВ при усилении двух сигналов,Электронная техника.Сер.1. «Электроника СВЧ», 1976, № 7, с. 32-41.

97. G i а г о 1 a A. J. A theoretical description for the multiple-signal opération of a TWT.—"IEEE Trans.", 1968, v. ED-15, № 6, p. 381.

98. Rowe J. Characteristics of multisignal and noise-modulated high-power microwave amplifiers.— "IEEE Trans.",v. ED-18, № 1, p. 11.

99. Арделян H. Г., Кац A. M. Расчет составляющих выходного сигнала

100. ЛБВ при многосигнальном усилении. — «Электронная техника. Сер. 1.

101. Электроника СВЧ», 1971, № 3, с. 45.

102. Арделян И. Г., Каргин А.Н, Исследование многочастотного режима работы ЛБВ , «Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ», 1975, №2, с. 27-33.

103. Кац А.М., Ильина Е.М. Манькин И.А. Нелинейные явления вприборах СВЧ О-типа. «Советское радио», М. 1975.

104. Железовский Б.Е., Кальянов Э.В. Многочастотные режимы в приборах СВЧ, М., Связь, 1978.

105. Гаврилов М.В.,Кац А.М., Трубецков Д.И. Паразитнные сигналы в ЛБВО-усилителе. «Электронная техника. Сер. 1. ЭлектроникаСВЧ», 1980, №5, с. 3-16.

106. Побочные колебания в СВЧ приборах. Обзоры по ЭТ, Сер.Электроника СВЧ, 1970, вып. 2, с.73.

107. Ка ц А. М., Ильина Е. М. Кудряшов В.П. Высшие гармонические составляющие в широкополосных ЛБВ.«Электронная техника. Сер. 1. ЭлектроникаСВЧ», 1975, №5, с. 57-67.

108. Силин Р.А. Методы подавления паразитных колебаний в приборах с замедленными волнами. «Электронная техника. Сер. 1. ЭлектроникаСВЧ», 1976, №11, с.3-16.k 9

109. Методы и средства измерений в области ЭМ совместимости. Сб. статей, Винница 1991.

110. П.В. Боровиков, М.А. Завьялов, В.И. Переводчиков и др. Материалы VIII Международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". Севастополь. 1998. Т2. С. 725-726

111. Приезжаев Г.М., Кулычкин О.И., Быков А.П. Исследование паразитных колебаний в ЗС типа ЦСР. ЭТ, Сер.Электроника СВЧ, 1976, вып. 2, с.3-10.

112. В.И. Юрьев, Теоретическое исследование амплитудного и фазового шума в ЛБВ., Сер.ЭТ, 1965, вып. 12, с.65-75.

113. Ю.Ф.Конторин, И.А.Манькин, Модуляционные шумы вблизи несущей в приборах О-типа., Обзор по ЭТ. Серия ЭТ, вып.1, М., 1985, с.62.

114. Ю.Ф.Конторин, Лазерсон А.Г., И.А.Манькин, Влияние НЧ модуляции параметров электронного потока на спектр выходного сигнала ЛЕВО. РиЭ, 1982,т.27,№8, с.1588-1592.

115. В.И. Юрьев, A.A. Ильин Экспериментальное исследование низкочастотных колебаний в электронных потоках., ЭТ, Сер.Электроника СВЧ, 1965, вып. 5, с. 105-118.

116. Ю.А. Калинин, Ю.В. Ставский , , Исследование влияния положительных ионов на выходные параметры ЛБВ. ЭТ, Сер.Электроника СВЧ, 1975, вып. 10, с.3-12.

117. Разработки фирмы «Томсон» в области мощных ЭВП СВЧ.,обзор, ЭТ, Сер.Электроника СВЧ, 1986, вып. 7, с77-80.

118. Кудряшов В.П. , ЛБВО с малым уровнем побочных колебаний. «Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ», 1988, №5, с. 17-21.

119. Ильин Е.М. Влияние обратной связи на нелинейные искажения двухчастотного сигнала. ЭТ, Сер. Эл-ка СВЧ, 1980, вып. 5, с46-50.

120. Жуков А. Д., Ильина Е. М., Кац А. М. Подавление второй гармоники в ЛБВ.«Электронная техника.Сер. 1.Электроника СВЧ»,1971, № 12, с.82.