Введение к работе
Актуальность темы. Электронные СВЧ приборы М-типа с катодом в пространстве взаимодействия или приборы магнетронного типа продолжают находить применение в современной радиоэлектронной технике. К их числу, кроме магнетрона, относятся усилитель обратной волны, получивший наименование амплитрона, и усилитель прямой волны (УПВМ). Эти усилители характеризуются высоким КПД, низкими требованиями к источникам питающих напряжений, малыми массой и габаритами. Большой вклад в создание отечественных магнетронных усилителей внесли Чигиринский П.Я., Зиангиров Т.В., Хлебников И.Н., Индык В.И., Фурсаев М.А., Еремин В.П., Каржавин И.Н., Хворов М.И., Марьин В.П. Капитонов В.А., Петроченков В.И. и др.
В связи с развитием техники постоянно повышаются требования к эксплуатационным показателям магнетронных усилителей, в том числе увеличению коэффициента усиления и рабочей области анодных токов, ограничение которых обусловлено возбуждением нерабочих видов колебаний. Улучшение этих показателей достигается как выбором параметров пространства взаимодействия приборов, так и при отработке их электроди-намических систем.
Определение параметров пространства взаимодействия магнетронных усилителей проводится с использованием математических моделей этих приборов (Байбурин В.Б., Ширшин С.И., Rodney J., Vaughan M., Dombrowski G. и др.). В настоящее время созданы модели, позволяющие учитывать особенности их работы в многочастотном режиме, в том числе при возбуждении нерабочих видов колебаний (Терентьев А.А., Ильин Е.М., Шеин А.Г., Чурюмов Г.И.). Однако учет нерабочих видов колебаний предполагает знание физики образования цепей положительной обратной связи, приводящих к возбуждению этих видов, что предполагает проведение соответствующих экспериментальных исследований.
В уравнения математических моделей магнетронных усилителей входят параметры замедляющих систем, имеющих весьма сложную структуру. Поэтому для определения связи значений параметров замедляющей системы с ее геометрическими параметрами используется метод эквивалентных схем.
Наиболее применяемыми в магнетронных усилителях являются различные модификации резонаторной системы с двойными связками в амплитронах, а также замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками в УПВМ. Модификации резонаторных систем с двойными связками весьма полно изучены. Работы по исследованию системы меандр с дроссельными поддержками также известны (Силин Р.А., Froom, Pearson). Однако ряд модификаций этой системы, применяемых в конструкциях приборов, остаются не рассмотренными. Кроме того, остаются не рассмотренными вопросы обоснования конструктивных решений, обеспечивающих согласование замедляющих систем с выводами энергии. Между тем оно является важным условием получения качественной работы усилителя, в том числе получения высокого значения коэффициента усиления, достижение которого ограничено из-за возбуждения нерабочих видов колебаний.
В качестве усилителей миллиметрового диапазона длин волн нашли применение магнетроны, работающие в режиме синхронизации входным сигналом. В связи с этим должны решаться вопросы оценки полосовых свойств вакуумного уплотнения вывода энергии, которое с учетом специфики миллиметрового диапазона должно иметь простую и технологичную конструкцию.
Таким образом, в связи с необходимостью решения задач по повышению электрических параметров магнетронных усилителей, а также усовершенствования конструкции и технологии весьма актуальным является направление по дальнейшему развитию представлений относительно элементов электродинамических систем этих приборов. Этим определяется актуальность задач, решаемых в настоящей диссертационной работе.
Целью диссертационной работы является:
– развитие методик расчета характеристик элементов электродинамических систем, с использованием которых решаются вопросы увеличения коэффициента усиления УПВМ и усовершенствования конструкции и технологи магнетронов миллиметрового диапазона с учетом их применения в усилительном режиме;
– исследование условий возбуждения нерабочих видов колебаний в УПВМ, сопутствующих усилению, что препятствует получению высоких значений коэффициента усиления.
Задачи исследования.
1. Анализ результатов динамических испытаний УПВМ с целью определения природы возбуждения нерабочих видов колебаний, ограничивающих достижение высоких значений коэффициента усиления.
2. Выбор направления исследований по снижению уровня нерабочих видов колебаний в УПВМ.
3. Усовершенствование эквивалентных схем замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками с целью обеспечения расчета и анализа электродинамических характеристик ее модификаций, применяемых в конструкциях УПВМ.
4. Развитие методик расчета параметров и характеристик модификаций замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, применяемых в конструкциях УПВМ, и проведение исследований таких систем.
5. Развитие методики моделирования ячеек замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками УПВМ, обеспечивающих согласование регулярной части этой системы с внешним ВЧ трактом.
6. Развитие методики оценки полосовых свойств керамического вакуумного уплотнения вывода энергии магнетронов миллиметрового диапазона.
7. Экспериментальная проверка результатов расчета.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Определены причины отличий в условиях самовозбуждения нерабочих видов колебаний, обусловленных дефектами электродинамической системы, и состава их в спектре выходного сигнала УПВМ и амплитрона.
2. Показана возможность прогнозирования уровня возбуждения нерабочих видов колебаний в УПВМ, сопутствующих усилению, по результатам его испытаний в отсутствии входного сигнала.
3. Предложено построение эквивалентных схем замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками в виде совокупности отрезков полосковых линий, использование которых обеспечивает анализ и расчет модификаций такой системы, применяемых в конструкциях УПВМ.
4. Выявлена аналогия функций отдельных участков резонаторной системы с двойными связками, используемой в амплитроне, и замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, применяемой в УПВМ, определяющих электродинамические характеристики этих систем.
5. Развита методика моделирования крайних участков замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, выполняющих функцию трансформатора сопротивлений и обеспечивающих в УПВМ согласование регулярной части этой системы с внешним ВЧ трактом.
6. Развита методика расчета частотной зависимости коэффициента отражения керамического вакуумного уплотнения магнетронов миллиметрового диапазона, выполненного в виде плоской пластины, учитывающая активные потери в керамике.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновываются применением методов моделирования и расчетов, апробированных в современной технике СВЧ, соответствием применяемого математического аппарата классу задач, решаемых теорией электрических цепей, соответствием результатов расчета экспериментальным данным, полученным с использованием аттестованной измерительной аппаратуры.
На защиту выносятся следующие положения и результаты.
1. Поскольку в УПВМ используется замедляющая система с нормальной дисперсией, а число ячеек в анодном блоке велико, то наличие дефектов в электродинамической системе приводит к появлению в спектре выходного сигнала наряду с рабочей частотой целого ряда частот нерабочих видов колебаний.
2. Представление эквивалентных схем замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками в виде совокупности отрезков полосковых линий, обеспечивающее анализ и расчет характеристик модификаций этой системы, применяемых в конструкциях УПВМ.
3. Методика моделирования крайних участков замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, выполняющих функцию трансформаторов сопротивлений, на базе их эквивалентного представления в виде совокупности отрезков полосковых линий для решения вопросов согласования выводов энергии УПВМ.
4. Методика расчета частотной зависимости коэффициента отражения керамического уплотнения вывода энергии магнетронов миллиметрового диапазона, выполненного в виде плоской пластины в волноводе, учитывающая активные потери в керамике.
Теоретическую значимость имеет обоснование целесообразности использования при анализе электродинамических характеристик замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками эквивалентных схем, представляющих собой совокупность отрезков полосковых линий.
Практическую значимость имеют разработанные методики расчета параметров и характеристик конструктивных элементов электродинамических систем УПВМ и магнетронов миллиметрового диапазона, которые могут быть использованы при проектировании этих приборов СВЧ.
Личный вклад диссертанта:
– проведение теоретических и экспериментальных исследований;
– отработка методик испытаний, необходимых для проведения экспериментальных исследований;
– обработка, анализ и обобщение полученных результатов.
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения (Саратов, 2010, 2012, Новосибирск, 2012) и ММТТ-24 (Саратов, 2011). По материалам диссертации опубликовано 12 работ, из них 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Похожие диссертации на Усовершенствование элементов электродинамической системы усилителей магнетронного типа
