Диссертация (Метод проектирования колебательной системы коаксиального магнетрона, работающего при малой длительности фронта модулирующего импульса), страница 2

Результаты внедрения диссертационной работы подтверждены соответствующими актами.Основные положения, выносимые на защиту.1. Применение в коаксиальных магнетронах режима взаимодействия электронного потока с высшей пространственной гармоникой высокочастотного поля π вида колебаний равнорезонаторной анодной замедляющей системы, позволившее разработать такие модели колебательных систем импульсных коаксиальных магнетронов коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн, использование которых возможно в серийном производстве.2.

Закон группировки щелей связи, при котором уменьшается парциальный вклад синхронной (конкурирующей) гармоники щелевого вида колебаний в суммарное высокочастотное поле, что позволяет соответствующим образом уменьшить эффект подавления за счетдиссипативных потерь щелевого вида колебаний и приводит к снижению потерь рабочеговида колебаний Н011 стабилизирующего резонатора через щели связи.3. Модель стабилизирующего резонатора, являющегося отрезком коаксиального волновода, близкого к запредельному для волны типа Н01, применение которой открывает путьдля достижения в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн плотностиперестройки частоты, позволяющей обеспечить требования по виброустойчивости и воспроизводимости частоты при работе на литерных частотах (в 4-мм диапазоне длин волн применение такого стабилизирующего резонатора в зависимости от его геометрических параметров позволяет достигнуть плотности перестройки частоты на коротковолновом краю~2÷4,5 ГГц/мм).4.

Периферийная стенка анодной замедляющей системы толщиной ~λв/4 (λв – рабочаядлина волны в щели связи), позволяющая в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн повысить теплостойкость анодной замедляющей системы.5. Метод проектирования колебательных систем коаксиальных магнетронов миллиметрового диапазона длин волн, позволяющий провести полный расчет ее электродинамическиххарактеристик и, в отличие от метода, предложенного в работе [1], не требующий многократной (более 1-го раза) корректировки размеров, что позволяет сократить объем экспериментальных исследований.7КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована цель, научнаяновизна и практическая значимость результатов диссертационной работы, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

Показаны основные достоинства использования коаксиальных магнетронов (КМ). Определены конкретные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной в настоящей диссертационной работе цели.В первой главе "Современные тенденции развития магнетронов" рассмотрено текущеесостояние дел в области проектирования магнетронов миллиметрового диапазона длин волн.Проанализированы различные конструкции магнетронов, в том числе разнорезонаторныемагнетроны, полученные методом масштабного моделирования магнетронов сантиметровогодиапазона длин волн, и так называемые «магнетроны поверхностной волны» (МПВ), работающие на дублетной составляющей не π вида колебаний.

В результате сравнения этих конструкций с конструкцией КМ показаны преимущества последнего по сравнению с остальными.Показана важность уменьшения длительности фронта модулирующего импульса в радиолокации: с ее уменьшением происходит повышение разрешающей способности радиолокационной станции по дальности, что необходимо для создания высокоточного оружия.

Повышение стабильности работы КМ при малой (сравнимой с магнетронами без стабилизирующего резонатора (СР)) длительности фронта модулирующего импульса приведет к значительному расширению областей применения КМ.Рассмотрены пути уменьшения длительности фронта модулирующего импульса, необходимого для стабильного возбуждения колебаний в КМ: за счет уменьшения рабочей длиныволны (при этом уменьшается длительность одного периода колебаний) и за счет уменьшения длительности фронта модулирующего импульса при сохранении частоты (при этомуменьшается количество необходимых для возбуждения рабочего вида колебаний периодов).При анализе известных подходов к увеличению стабильности работы КМ при малой длительности фронта модулирующего импульса рассмотрена концепция «помогающих видовколебаний», предложенная в работе [1].

Согласно этой теории, повышению стабильности работы КМ при длительности фронта модулирующего импульса, соизмеримой с применяемойв классических магнетронах, способствует увеличение количества резонаторов N аноднойзамедляющей системы (АЗС).В результате анализа этой концепции показана ее несостоятельность. Из источника [2]следует, что стабильность возбуждения магнетрона при малой длительности фронта модулирующего импульса растет с увеличением характеристического сопротивления, прямо зави8сящего от угла раскрыва резонатора.

Эксперимент, проведенный в работе [3] по созданиюне π-видного КМ 3-см диапазона длин волн с разнорезонаторной системой типа «щельлопатка» и увеличенным более чем в два раза углом раскрыва резонатора по сравнениюс π-видным прототипом, показал, что такой КМ сохраняет стабильность работы при весьмамалой длительности фронта модулирующего импульса (0,043 мкс).Во второй главе "Анализ колебательной системы коаксиального магнетрона" выполнен анализ различных подходов к проектированию таких элементов колебательной системыКМ, как АЗС и СР.В работе [1] приведен метод проектирования колебательной системы КМ, изначальнорассчитанный на сантиметровый диапазон длин волн.

Выполнение этих рекомендацийв миллиметровом диапазоне длин волн, особенно в коротковолновой его части, приводитк значительным сложностям, в частности, перегреву ламелей АЗС и потере управляемостичастотой. В связи с этим показана необходимость разработки нового метода, предназначенного для проектирования колебательной системы КМ миллиметрового диапазона длин волн.С целью исследования возможности повышения стабильности работы КМ при малойдлительности фронта модулирующего импульса рассмотрены режимы взаимодействия электронного потока с различными видами колебаний и выполнено их сравнение.Использование в КМ режима взаимодействия электронного потока с низшей пространственной гармоникой вырожденного вида колебаний (при использовании как равнорезонаторной лопаточной АЗС, так и разнорезонаторной АЗС типа «щель-лопатка») позволяет увеличить размеры пространства взаимодействия по сравнению с классической π-видной АЗСбез увеличения количества резонаторов.

Однако существенное увеличение уровня диссипативных потерь (в ~1,5 раза при использовании АЗС типа «щель-лопатка» и в ~2 раза при использовании лопаточной АЗС) делает применение этого режима нецелесообразным.В случае применения в КМ режима взаимодействия электронного потока с высшейпространственной гармоникой π вида колебаний (ВПГ) ситуация существенно отличается.При одинаковых размерах пространства взаимодействия по сравнению с классической АЗСколичество резонаторов уменьшается втрое.

Одновременно увеличивается с ~1 до ~3 отношение толщины ламелей τ к ширине входной щели в резонатор w, что открывает путь дляприменения конусных ламелей (ламелей с толщиной, изменяющейся по радиусу линейнымобразом). В результате угол раскрыва резонатора увеличивается в ~5÷9 раз по сравнениюс классической системой, а уровень диссипативных потерь остается на том же уровне, либонезначительно возрастает.Исследован ряд особенностей, возникающих при проектировании КМ с использованием режима ВПГ: экстремальная зависимость уровня диссипативных потерь в АЗС от угла9раскрыва резонатора ψ и уменьшение уровня диссипативных потерь при увеличении количества резонаторов N АЗС (при сохранении частоты π вида колебаний f, радиуса анода ra иψ > 50º).

Показана возможность подбора в ряде случаев такой комбинации геометрическихпараметров и количества резонаторов в АЗС на ВПГ, при которой происходит рост как контурного, так и электронного КПД по сравнению с классическими КМ. На рисунке 1 приведена зависимость уровня диссипативных потерь в АЗС на ВПГ в зависимости от количестварезонаторов и их угла раскрыва, а на рисунке 2 – 14-резонаторная АЗС на ВПГ для маломощного КМ 8-мм диапазона длин волн с установленной керамикой поглощения щелевоговида колебаний.Рисунок 1 – Зависимость величины диссипативных потерь в АЗС от количества резонаторов и угла раскрыва резонатораРисунок 2 – 14-резонаторная АЗС на ВПГ для КМ 8-мм диапазона длин волн10Уменьшение крутизны зависимости проводимости резонатора от частоты Y(f) при увеличении угла раскрыва (рисунок 3) позволяет также говорить об уменьшении перепада мощности по диапазону перестройки частоты.Рисунок 3 – Зависимость проводимости резонаторов различных форм от частоты:1 – щелевой резонатор; 2 – лопаточный резонатор с ψ = 8,57º,типичный для классической АЗС; 3, 4 – лопаточные резонаторы с углами раскрываψ = 44º и ψ = 64º соответственно, типичные для АЗС на ВПГ.Выделены следующие преимущества АЗС на ВПГ по сравнению с классическими АЗС:- существенно (в ~5÷9 раз) больший угол раскрыва резонаторов, что позволяет говоритьо меньшей длительности фронта модулирующего импульса, необходимой для стабильнойработы КМ с такой АЗС, по сравнению с КМ с классической АЗС;- в результате уменьшения количества резонаторов и, соответственно, щелей связи АЗСс СР значительно увеличивается формоустойчивость АЗС;- благодаря существенному уменьшению количества резонаторов в АЗС на ВПГ(в 3 раза при сохранении коэффициента замедления) открывается путь для изготовления щелей связи профилирующим электродом и применения группировки щелей связи;- уменьшение крутизны зависимости проводимости резонатора от частоты позволяетговорить об уменьшении перепада мощности по диапазону перестройки частоты.В результате сделан вывод о целесообразности применения этого режима взаимодействия в КМ, особенно в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн.11Рассмотрен нагрев ламелей АЗС в КМ.

Обоснована некорректность применения известных методов расчета тепловой нагрузки на ламели АЗС, приведенных в работе [4], и предложено использование программы [5] для расчета температуры ламелей. Выполнено моделирование классических АЗС и АЗС на ВПГ и показано уменьшение суммарной температуры на торцах ламелей в АЗС последнего типа.При создании КМ миллиметрового диапазона длин волн выполнение рекомендацийпо проектированию СР, данных в работе [1] и связанных с выбором отношения внешнегодиаметра СР D к внутреннему d, может вызвать потерю управляемости частотой вследствиеслишком высокой плотности ее перестройки.

Проанализированы факторы, на которые влияет выбор отношения D/d, и представлена зависимость взаиморасположения видов колебанийСР от этого отношения. Предложен новый подход для к проектированию СР КМ миллиметрового диапазона длин волн, согласно которому D/d является функцией высоты СР hСРна заданной частоте, позволяющий существенно снизить количество необходимых расчетов.Представлены рекомендации по выбору hСР, позволяющие решить проблемы, связанныес потерей управляемости частотой, по крайней мере, в 4-мм диапазоне длин волн. Стабилизирующий резонатор при этом может являться отрезком коаксиального волновода, близкогок запредельному для волны типа Н01.В третьей главе диссертации "Щелевой вид колебаний в коаксиальном магнетроне"рассмотрены вопросы расширения области применения комбинированного способа подавления щелевого вида колебаний, иначе называемого длинноволновым π видом (ДПВ).Разработана модель для расчета параметров щелевого вида колебаний.