Диссертация (Метод проектирования колебательной системы коаксиального магнетрона, работающего при малой длительности фронта модулирующего импульса)

На правах рукописиОмиров Андрей АнтоновичМЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫКОАКСИАЛЬНОГО МАГНЕТРОНА, РАБОТАЮЩЕГО ПРИ МАЛОЙДЛИТЕЛЬНОСТИ ФРОНТА МОДУЛИРУЮЩЕГО ИМПУЛЬСАСпециальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ – устройства и ихтехнологииАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2013Работа выполнена на кафедре радиоэлектроники и телекоммуникаций Московскогоинститута электроники и математики Национального исследовательского университета«Высшей школы экономики».Научный руководитель:доктор технических наук, профессоркафедры радиоэлектроники и телекоммуникацийМИЭМ НИУ ВШЭНефедов Владимир НиколаевичНаучный консультант:доктор технических наукГурко Александр АлександровичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессоркафедры светотехники ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ»Гутцайт Эдуард Михайловичкандидат физико-математических наук,ведущий научный сотрудник филиалаФГКУ "46 ЦНИИ" Минобороны РоссииПетров Александр МихайловичВедущая организация:Федеральное государственное унитарноепредприятие "Научно-производственноепредприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток")Защита состоится 4 июня 2013 года в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 219.001.01 при ФГОБУ ВПО МТУСИ по адресу: 111024,Москва, ул.

Авиамоторная, д. 8а, ауд. А-448.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОБУ ВПО МТУСИ.Автореферат разослан “____“ апреля 2013 года.Ученый секретарь совета по защите докторскихи кандидатских диссертаций Д 219.001.01кандидат технических наук, доцентИванюшкин Р.Ю.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.Конструкция коаксиального магнетрона позволила получить выходной сигнал с параметрами, значительно превосходящими параметры классического магнетрона.

Благодаряэтому последние вытесняются коаксиальными магнетронами во многих областях применения в диапазонах длин волн от 8 мм до 3 см.В современной радиоэлектронике наблюдается ярко выраженная тенденция к увеличению частоты зондирующего сигнала. Это способствует увеличению разрешающей способности радиолокационной системы. Поэтому задача продвижения коаксиальных магнетронов в коротковолновую часть миллиметрового диапазона длин волн является весьмаактуальной.Наиболее «слабым» параметром коаксиального магнетрона, ограничивающим областиего применения, является относительно высокий уровень флюктуации фронта огибающейвысокочастотного импульса при малых величинах фронта модулирующего импульса.

Малаядлительность фронта модулирующего импульса позволяет увеличить разрешающую способность радиолокатора по дальности.Цель работы и задачи исследования.Целью диссертационной работы является разработка метода проектирования колебательной системы коаксиального магнетрона коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн, работающего при длительности фронта модулирующего импульса, сравнимой с магнетронами без стабилизирующего резонатора.В соответствии с поставленной целью решены следующие основные задачи:- выделены проблемы, возникающие при разработке и производстве коаксиальныхмагнетронов коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн;- разработан способ повышения стабильности работы коаксиальных магнетроновпри малых длительностях фронта модулирующего импульса (на уровне магнетронов без стабилизирующего резонатора);- проведено моделирование электродинамических параметров анодных замедляющихсистем с использованием различных режимов взаимодействия электронного потока с высокочастотным полем и выбран режим, позволяющий преодолеть известные трудностипри разработке и производстве коаксиальных магнетронов коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн;3- предложен метод расчета степени «разрушения» спектра пространственных гармоник высокочастотного поля щелевого вида колебаний (оцениваемой по величине диссипативных потерь анодной замедляющей системы при нормировании амплитуды π-видной гармоники к единице) при использовании групп щелей связи, отличающихся по профилю илиразмерам, позволивший выбрать наиболее эффективный закон группировки щелей связи иминимализировать конкурирующее воздействие этого вида колебаний с минимальнымухудшением параметров рабочего вида колебаний;- разработаны отличные от традиционных рекомендации по выбору геометрическихпараметров стабилизирующего резонатора коаксиального магнетрона, позволяющие в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн достигнуть плотности перестройки частоты, обеспечивающей приемлемые виброустойчивость и воспроизводимостьчастоты при работе на литерных частотах;- разработан метод проектирования колебательной системы коаксиального магнетрона миллиметрового диапазона длин волн, позволяющий провести полный расчет электродинамических характеристик коаксиального магнетрона и не требующий многократной (более1-го раза) корректировки размеров;- апробация и внедрение результатов работы в производство.Методы исследования.Теоретические исследования проведены с использованием математических аппаратовэлектродинамики, теории электромагнитного поля, метода эквивалентных схем, теории электрических цепей.

При трехмерном моделировании использовался метод конечных элементов. Экспериментальные исследования проведены на отдельных деталях и узлах коаксиальных магнетронов миллиметрового и сантиметрового диапазонов длин волн.Научная новизна.В работе получен ряд результатов, имеющих научную новизну:1. Представлен метод проектирования колебательной системы коаксиальных магнетронов миллиметрового диапазона длин волн, позволяющий провести расчет ее электродинамических характеристик и значительно снизить трудоемкость разработки коаксиального магнетрона с современными выходными параметрами.2.

Предложен волноводный метод расчета параметров щелевого вида колебаний, применимый в коаксиальных магнетронах с анодной замедляющей системой с толщиной периферийной стенки более 0,07λраб (λраб – рабочая длина волны).43. Предложена основанная на теории поля расчетная методика, позволяющая оценитьвклад синхронной (конкурирующей) гармоники щелевого вида колебаний в суммарное высокочастотное поле при применении группировки щелей связи с отличающимися профилямиили размерами.4. Предложены рекомендации по проектированию анодной замедляющей системыс использованием режима взаимодействия электронного потока с высшей пространственнойгармоникой π вида колебаний, по уровню диссипативных потерь находящейся на уровнеклассических анодных замедляющих систем и позволяющей снизить необходимую для стабильной работы коаксиального магнетрона длительность фронта модулирующего импульса.5.

Предложено использование стабилизирующего резонатора, являющегося отрезкомволновода, близкого к запредельному для волны типа Н01, и разработаны рекомендации поего проектированию. Применение такого стабилизирующего резонатора позволяет обеспечить выполнение требований по виброустойчивости и воспроизводимости частоты при работе на литерных частотах в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн.Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций подтверждается корректностью разработанных моделей, сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований, сравнением полученных результатов с результатами, опубликованными ранее в научных публикациях, результатами внедрения разработанных рекомендацийв процессы проектирования и производства коаксиальных магнетронов.Практическая ценность результатов диссертации состоит в следующем:1. Предложенные методы позволяют снизить объем расчетов и экспериментальных работ при создании новых магнетронов за счет достижения идеологического единообразияконструкции и ее технологической реализации, что, в свою очередь, значительно снизит материальные и временные затраты на проектирование КМ с современными выходными параметрами.2.

Разработанные расчетные методы позволяют усовершенствовать параметры существующих коаксиальных магнетронов сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов длин волн.3. Показана возможность создания коаксиальных магнетронов коротковолновой частимиллиметрового диапазона длин волн с параметрами, превосходящими известные моделимагнетронов этого диапазона длин волн.4. Использование разработанных рекомендаций по выбору параметров колебательнойсистемы позволяет создавать параметрические ряды коаксиальных магнетронов.5Апробация результатов работы.Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и вузовских научных конференциях:- на научных семинарах кафедры «Лазерные и микроволновые информационные системы» МИЭМ;- в 2010, 2011 и 2012 г. на научно-технических конференциях студентов, аспирантов имолодых специалистов МИЭМ;- на X и XI межвузовских научных школах молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» в НИЯФМГУ (2010 и 2011 г.);- на 6-й отраслевой конференции «Технологии информационного общества» в МТУСИ(2012 г.);- на 67-й Всероссийской конференции с международным участием «Научная сессия,посвященная Дню радио» (2012 г.);- на международной научно–технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» («АПЭП – 2012») в СГТУ (2012 г.);- на 22-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» («КрыМиКо – 2012») в СевНТУ.

(Доклад отмечен оргкомитетом«3-ей премией за лучшую научную работу, представленную молодым ученым (аспирантом)»).Публикации по теме работы.Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 19 печатных работах, из них 4 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Получено 1 авторское свидетельство на программу для ЭВМ.Объем и структура работы.Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, имеет общий объем 162 страницы, в том числе 39 рисунков и24 таблицы, библиографический список из 111 отечественных и зарубежных источниковна 12 страницах, приложения с актами внедрения результатов диссертации на 5 страницах.Реализация результатов диссертационной работы.Результаты диссертационной работы нашли применение на производстве в ЗАО «Магратеп», ОАО «Владыкинский механический завод» и Радиоастрономическом институте6НАН Украины; внедрены в учебный процесс МИЭМ НИУ ВШЭ; а также нашли применениев программе «Magnetron dispersion calculator» (свидетельство о государственной регистрациипрограммы для ЭВМ № 2011611258).