Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)


Для цитирования:

Куркин С. А., Короновский А. А., Егоров Е. Н., Левин Ю. И., Филатов Р. А. Математическая модель и ее численная реализация для исследования и оптимизации генераторов с электронной обратной связью // Известия вузов. ПНД. 2010. Т. 18, вып. 6. С. 106-137. DOI: 10.18500/0869-6632-2010-18-6-106-137

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 71)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
533.9

Математическая модель и ее численная реализация для исследования и оптимизации генераторов с электронной обратной связью

Авторы: 
Куркин Семен Андреевич, Университет Иннополис
Короновский Алексей Александрович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Егоров Евгений Николаевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Левин Юрий Иванович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Филатов Роман Андреевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Аннотация: 

В статье сформулирована математическая модель и ее численная реализация для исследования широкополосных хаотических колебаний и физических процессов в электронных потоках с виртуальным катодом в генераторах с электронной обратной связью. Кратко описан разработанный программный пакет, позволяющий моделировать нестационарные нелинейные физические процессы в электронных генераторах с виртуальным катодом, а также рассчитывать выходные характеристики соответствующих приборов. Изложены численные методы, которые использованы при программной реализации математической модели. При этом рассмотрены особенности тех или иных численных методов с учетом специфики исследуемых систем. Представлены результаты некоторых расчетов и оптимизации различных конфигураций систем с виртуальным катодом.  

Список источников: 
  1. Дмитриев А.С., Панас А.И. Динамический хаос: новые носители информации для систем связи. М.: Физматлит, 2002.
  2. Dronov V., Hendrey M.R., Antonsen T.M., Ott E. Communication with a chaotic traveling wave tube microwave generator // Chaos. 2004. Vol. 14, No1. P. 30.
  3. Dmitriev B.S., Hramov A.E., Koronovskii A.A., Starodubov A.V., Trubetskov D.I., Zharkov Y.D. First experimental observation of generalized synchronization phenomena in microwave oscillators // Physical Review Letters. 2009. Vol. 102, No 7. 074101.
  4. Короновский А.А., Москаленко О.И., Храмов А.Е. О применении хаотической синхронизации для скрытой передачи информации // Успехи физических наук. 2009. Т. 179, No 12. С. 1281.
  5. Narayanan R.M., Dawood M. Doppler estimation using a coherent ultrawide-band random noise radar // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2000. Vol. 48. P. 868.
  6. Залогин Н.Н., Кислов В.В. Широкополосные хаотические сигналы в радиотехнических и информационных системах. М.: Радиотехника, 2006.
  7. Meadows B.K., Heath T.H., Ne J.D. et al. Nonlinear antenna technology // Proceedings IEEE. 2002. Vol. 90, No 5. P. 882.
  8. Шалфеев В.Д., Матросов В.В., Корзинова М.В. Динамический хаос в ансамблях связанных фазовых систем // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1998. Т. 11. С. 44.
  9. Диденко А.Н., Красик Я.Е., Перелыгин С.Ф., Фоменко Г.П. Генерация мощного СВЧ-излучения релятивистским электронным пучком в триодной системе // Письма в ЖТФ. 1979. Т. 5, No 6. С. 321.
  10. Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т. 2. М.: Физматлит, 2004.
  11. Дубинов А.Е., Селемир В.Д. Электронные приборы с виртуальным катодом, Радиотехника и электроника. 2002. Т. 47, No 6. С. 575.
  12. Granatstein V.L., Alexeff I. High Power Microwave Sources. Artech House Microwave Library, 1987.
  13. Benford J., Swegle J.A., Schamiloglu E. High Power Microwaves. CRC Press, Taylor and Francis, 2007.
  14. Шевчик В.Н., Шведов Г.Н., Соболева А.Н. Волновые и колебательные явления в электронных потоках на сверхвысоких частотах. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1962.
  15. Калинин Ю.А., Короновский А.А., Храмов А.Е., Егоров Е.Н., Филатов Р.А. Экспериментальное и теоретическое исследование хаотических колебательных явлений в нерелятивистском электронном потоке с виртуальным катодом // Физика плазмы. 2005. Т. 31, No 11. С. 1009.
  16. Егоров Е.Н., Калинин Ю.А., Левин Ю.И., Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Вакуумные генераторы широкополосных хаотических колебаний на основе нерелятивистских электронных пучков с виртуальным катодом // Изв. РАН. Cер. физич. 2005. Т. 69, No 12. С. 1724.
  17. Gursharn S., Shashank C. Secondary virtual-cathode formation in a low-voltage vircator: Pic simulations // IEEE Transactions on Plasma Science. 2008. Vol. 36, No 3. С. 694.
  18. Калинин Ю.А., Храмов А.Е. Экспериментальное и теоретическое исследование влияния распределения электронов по скоростям на хаотические колебания в электронном потоке в режиме образования виртуального катода // ЖТФ. 2006. Т. 76, No 5. С. 25.
  19. Филатов Р.А., Храмов А.Е., Калинин Ю.А. СВЧ-генератор хаотического широкополосного сигнала на виртуальных катодах. Патент No 59323. Tech. rep. Изобретения. Полезные модели: Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Москва. ФИПС. 2006. No 34.
  20. Калинин Ю.А., Куркин С.А., Трубецков Д.И., Храмов А.Е. СВЧ-генераторы хаотических колебаний на основе электронных пучков с виртуальным катодом // Успехи современной радиоэлектроники. 2008. No 9. С. 53.
  21. Егоров Е.Н., Калинин Ю.А., Короновский А.А., Левин Ю.И., Храмов А.Е. Исследование образования структур и хаотической динамики в нерелятивистском электронном пучке с виртуальным катодом в тормозящем поле // Радиотехника и электроника. 2006. Т. 51, № 11. С. 51.
  22. Егоров Е.Н., Калинин Ю.А., Короновский А.А., Храмов А.Е. Исследование зависимости мощности СВЧ-генерации низковольтного виркатора от управляющих параметров // ЖТФ. 2007. Т. 77, № 10. С. 139.
  23. Filatov R.A., Hramov A.E., Bliokh Y.P., Koronovskii A.A., Felsteiner J. Influence of background gas ionization on oscillations in a virtual cathode with a retarding potential // Physics of Plasmas. 2009. Vol. 16, № 3. 033106.
  24. Калинин Ю.А., Стародубов А.В., Волкова Л.Н. Сверхширокополосные генераторы шумоподобных высокочастотных и сверхвысокочастотных колебаний с электронной обратной связью // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36, № 3. С. 39.
  25. Рошаль А.С. Моделирование заряженных пучков. М.: Атомиздат, 1979.
  26. Свешников А.Г., Якунин С.А. Численные модели бесстолкновительной плазмодинамики // Математическое моделирование. 1989. Т. 1, № 4. С. 1.
  27. Anderson T.M., Mondelli A.A., Levush B., Verboncoeur J.P., Birdsall C.K. Advances in modelling and simulation of vacuum electron devices // Proceedings IEEE. 1999. Vol. 87, № 5. P. 804.
  28. Birdsall C.K., Langdon A.B. Plasma physics, via computer simulation. NY: McGrawHill, 1985.
  29. Warren G., Ludeking L., Nguyen K., Smithe D., Goplen B. Advances/applications of MAGIC and SOS // Computational Accelarator Physics. AIP Conf. Proc. 1994. Vol. 297. P. 313.
  30. User’s manual for code KARAT. Springfield, VA: BRA, 1992.
  31. A software suite with total synergy // Microwave Journal. 2006. Т. 49, № 1. С. 19.
  32. Verboncoeur J.P., Langdon A.B., Gladd N.T. An object-oriented electromagnetic pic code // Comput. Phys. Commun. 1991. Vol. 64. P. 252.
  33. Антошкин М.Ю., Григорьев В.П., Коваль Т.В., Саблин Н.И. Электромагнитный код в полярной системе координат для математического моделирования излучения в коаксиальном триоде с виртуальным катодом // Математическое моделирование. 1995. Т. 7, № 8. P. 25.
  34. Алимовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки. М.: Сов. радио, 1966.
  35. Короновский А.А., Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Методы нелинейной динамики и хаоса в задачах электроники сверхвысоких частот. Т. 2. Нестационарные и хаотические процессы. М.: Физматлит, 2009.
  36. Калинин Ю.А., Кожевников В.Н.,. Лазерсон А.Г., Александров Г.И., Железовский Е.Е. Сложная динамика и явление динамического хаоса в потоке заряженных частиц, формируемых магнетронно-инжекторной пушкой (численный и физический эксперимент) // ЖТФ. 2000. Т. 70, № 7. С. 83.
  37. Калинин Ю.А., Кузнецов Н.Н., Украинская Т.Н. Исследование широкоплосных шумоподобных колебаний в интенсивных пучках заряженных частиц в режиме образования виртуального катода // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2002. Т. 10, № 5. С. 32.
  38. Tsimring S.E. Electron beams and microwave vacuum electronics // John Wiley and Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2007.
  39. Калинин Ю.А., Короновский А.А., Храмов А.Е. Исследование широкополосных хаотических СВЧ-колебаний в гибридной системе «лампа бегущей волны – коллектор-генератор» // ЖТФ. 2008. Т. 78, № 5. С. 83.
  40. Калинин Ю.А., Есин А.Д. Методы и средства физического эксперимента в вакуумной СВЧ-электронике. Саратов: Изд-во СГУ, 1991.
  41. Калинин Ю.А., Панин А.Ф., Украинская Т.Н. Экспериментальное исследование спектра продольных составляющих скорости электронов в течение периода ВЧ поля // Электронная техника. Сер. 1. 1976. № 2. С. 111.
  42. Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т. 1. М.: Физматлит, 2003.
  43. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980.
  44. Boris J.P., Lee R. Optimization of particle calculations in 2 and 3 dimensions // Commun. Math. Phys. 1969. № 12. P. 131.
  45. Yao R.L. , Striffler C.D. Numerical simulation of collective ion acceleration in an intense electron beam-localized gas cloud system // J. Appl. Phys. 1990. Vol. 67, № 4. 1650.
  46. Сена Л.А. Столкновения электронов и ионов с атомами газа. Л.: ОГИЗ, 1948.
  47. Morey I.J., Birdsall C.K. Travelling-wave-tube simulation: the IBC code // IEEE Trans. Plasma Sci. 1990. Vol. 18, № 3. С. 482.
  48. Егоров Е.Н., Калинин Ю.А., Короновский А.А., Храмов А.Е., Морозов М.Ю. Исследование мощности СВЧ-генерации в нерелятивистском электронном пучке с виртуальным катодом в тормозящем поле // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, №9. P. 71.
  49. Батура М.П., Кураев А.А., Синицын A.K. Основы теории, расчета и оптимизации современных электронных приборов СВЧ. Минск: БГУИР, 2007.
  50. Морозов М.Ю., Храмов А.Е. Влияние внешнего магнитного поля на величину критического тока электронного пучка, при котором формируется виртуальный катод // Физика плазмы. 2007. Т. 33, № 7. С. 610.
  51. Hramov A.E., Koronovskii A.A., Morozov M., Mushtakov A.V. Effect of external magnetic field on critical current for the onset of virtual cathode oscillations in relativistic electron beams // Phys. Lett. A. 2008. Vol. 372. P. 876.
  52. Куркин С.А., Храмов А.Е. Формирование виртуального катода в трубчатом электронном потоке во внешнем магнитном поле // Письма в ЖТФ. 2009.Т. 35, № 1. С. 48.
  53. Куркин С.А., Короновский А.А., Храмов А.Е. Влияние внешнего магнитного поля на формирование и динамику виртуального катода // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2008. Т. 16, № 4. С. 182.
  54. Куркин С.А., Короновский А.А., Храмов А.Е. Нелинейная динамика и хаотизация колебаний виртуального катода в трубчатом электронном потоке во внешнем магнитном поле // Физика плазмы. 2009. Т. 35, № 8. С. 684.
  55. Куркин С.А. Влияние шумового разброса электронов по скоростям на динамику электронного потока с виртуальным катодом // Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55, № 4. С. 1.
  56. Филатов Р.А., Калинин Ю.А., Храмов А.Е., Трубецков Д.И. Влияние положительных ионов на колебательные процессы в электронном пучке с виртуальным катодом // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49, № 10. С. 853.
  57. Атанов Н.В., Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Максимов Н.А. Формирование хаотических радиоимпульсов в генераторе с внешним периодическом воздействием // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, № 15. С. 1.
  58. Филатов Р.А., Калинин Ю.А., Храмов А.Е. Исследование влияния положительных ионов на СВЧ-генерацию в низковольтном виркаторе // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, № 11. С. 61. 
Поступила в редакцию: 
15.06.2009
Принята к публикации: 
04.09.2009
Опубликована: 
31.01.2011
Краткое содержание:
(загрузок: 45)