Диссертация (Метод проектирования колебательной системы коаксиального магнетрона, работающего при малой длительности фронта модулирующего импульса), страница 3

С этой цельюиспользуется резонаторная система типа «восходящее солнце», в которой проводимость малых резонаторов на границе с пространством взаимодействия равна проводимости «закрытых» (со сплошной периферийной стенкой) резонаторов АЗС, а входная проводимость больших соответствует проводимости «открытых» резонаторов (нагруженных на щель связи).Для системы без группировки щелей связи радиальный размер всех больших резонатороводинаков, в то время как в системе с применением щелей связи различного профиля радиальные размеры больших резонаторов будут различными.Выполнен анализ методики расчета параметров щелей связи, предложенной в работе[1], выявлены и исправлены математические ошибки и неточности при выводе уравнений.Рассмотрены ограничения по применимости этой методики: ее использование корректнов случае «тонкой» (толщина которой не превышает 0,07λраб) периферийной стенки АЗС.Для расчета периферийных стенок АЗС толщиной более 0,07λраб («толстых») предложена волноводная методика.

Выполнено сравнение результатов расчета по этим методикам,в результате которого выявлены следующие тенденции:12а) резонаторы, эквивалентные «открытым», практически всегда имеют больший радиальный размер, чем «закрытые». Обратная ситуация наиболее часто возникает при изготовлении периферийной стенки АЗС толщиной ~λв/4 или больше; гораздо реже она может бытьсвязана исключениями, описанными в пунктах в) и г);б) расчет обеими методиками показывает, что уменьшение ширины щели связи приводит к приближению глубины резонаторов, эквивалентных «открытым», к глубине «закрытых» резонаторов;в) практически во всех случаях с увеличением толщины периферийной стенки АЗС частота щелевого вида колебаний приближается к рабочему π виду.

Анализ исключений показал, что график зависимости проводимости щели связи Y от толщины стенки АЗС tст носитмонотонный характер, однако при расчете различными методами имеет разный угол наклона. При этом проводимость нагруженного на Yt лопаточного резонатора Yрез(Yt) нелинейнозависит от Yt, что и приводит к описанным исключениям;г) другая особенность характеристики Yрез(Yt) заключается в том, что в некоторых ееточках наблюдаются крайне резкие скачки. При попадании в окрестность такой точки незначительное изменение параметров щели связи может привести к весьма заметным изменениямв глубине резонатора, эквивалентного «открытому», и даже добавлению мнимой части к величине глубины эквивалентного резонатора;д) согласно методике Э.Д.

Шлифера [1], уменьшение аксиальной протяженности щелейсвязи приводит к уменьшению глубины резонаторов, эквивалентных «открытым», а согласноволноводной методике – к увеличению. По-видимому, есть два фактора, влияющих на частоту в этом случае: уменьшение объема, в котором запасается энергия высокочастотного поляДПВ, и изменение волноводной длины волны щели связи.

В случае «тонких» стенок АЗСбольшее влияние оказывает первый фактор, а в случае «толстых» – второй.Рассмотрена возможность применения для расчета параметров щелевого вида трехмерного моделирования в программных пакетах [6, 7], однако полученные результаты не позволяют рекомендовать их использование. Так, результаты расчета в программе [6] существенноотличаются от экспериментальных данных, а программный пакет [7] не позволяет рассчитывать параметры щелевого вида колебаний при применении гантельных щелей связи.Предложен подход, применимый для расчета параметров щелевого вида колебаний приобъединении щелей связи в группы и позволяющий оценивать степень «разрушения» спектра пространственных гармоник высокочастотного поля ДПВ.

Это позволило провести расчет уровня диссипативных потерь щелевого вида колебаний при применении известных законов группировки щелей связи. В результате выделен наиболее эффективный способ – разделение щелей связи на две группы.13Массив проведенных расчетов позволил сделать вывод о том, что зависимость уровнядиссипативных потерь от количества щелей связи в группах носит экстремальный характер,а количество длинноволновых щелей связи (глубина резонатора, эквивалентного «открытому» с такой щелью связи, больше глубины резонатора, эквивалентного «открытому» с щелью связи другого типа) должно составлять менее половины от общего количества щелейсвязи.

Введен параметр обобщенной величины неоднородности Rнеодн:Rнеодн =bэ22 − bэ21 bэ21 − a 2 ,bэ22 − b 2 b 2 − a 2для ламелей постоянной толщины a = ra −для конусных ламелей a =τ,2 sin(π / N )sin( π / N ) τa ra −,sin( π / N + ψ ) 2 tan( π / N ) (1)(2а)(2б)b = rp − ra + a ,(3)bэ = rэ − ra + a , где(4)rp – радиус по периферийной стенке «закрытого» резонатора;rэ1 и rэ2 – радиусы по периферийной стенке резонаторов, эквивалентных «открытым»с различными щелями связи.Применение параметра Rнеодн позволяет сократить объем расчетов, связанных с выбором геометрических параметров щелей связи и нахождением необходимого количествадлинноволновых щелей связи, а также оценивать применимость полевого метода для расчетахарактеристик щелевого вида колебаний.Исследовано не нашедшее ранее применения объединение в группы щелей связи прямоугольного профиля различной аксиальной протяженности.

Согласно проведенным расчетам, эффективность «разрушения» спектра пространственных гармоник высокочастотногополя ДПВ при объединении в две группы таких щелей связи не уступает классическому способу (объединению в группы щелей связи гантельного и прямоугольного профилей). Это открывает путь для усиления подавления ДПВ за счет «разрушения» спектра пространственных гармоник его высокочастотного поля в КМ миллиметрового диапазона длин волнс классическими АЗС.14В результате оценки целесообразности применения комбинированного способа подавления ДПВ в АЗС на ВПГ сделан вывод о его перспективности в случае изготовления «тонких» периферийных стенок АЗС.

При этом возможно как использование щелей связи различных профилей, так и только прямоугольного с различной аксиальной протяженностью.Анализ КМ с «толстыми» периферийными стенками АЗС показал, что при использовании группировки щелей связи «разрушение» спектра пространственных гармоник высокочастотного поля ДПВ недостаточно, чтобы устранить конкуренцию с его стороны, и необходимо применять только диссипативный способ подавления щелевого вида колебаний.В четвертой главе диссертации "Метод проектирования колебательной системы коаксиального магнетрона миллиметрового диапазона длин волн" проведен анализ трудностей,с которыми сталкиваются разработчики при создании КМ коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн и рассмотрены пути их преодоления.На сегодняшний день фрагментарное состояние принципов проектирования КМ приводит к серьезным трудностям в процессе разработки КМ миллиметрового диапазона длинволн.

В настоящей работе предложен метод проектирования колебательной системы КМмиллиметрового диапазона длин волн, основанный на следующих основных положениях:1. Выбор типа и размеров катода. Одним из наиболее важных критериев при разработкесовременных магнетронов является величина долговечности. Поэтому первостепенной задачей является выбор типа и радиального размера катода. В качестве эмиттера наиболее целесообразно использовать металлосплавной эмиттер, который хорошо зарекомендовал себяв коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн [8].

Известно, что в магнетроне 2-мм диапазона длин волн с напряжением анода 14,1÷14,5 кВ металлосплавной катодпри плотности тока 150 А/см2 обеспечивает долговечность более 1000 часов (в опытных образцах – до 2000 часов) [8]. Поэтому при разработке КМ миллиметрового диапазона длинволн, удовлетворяющего современным требованиям по долговечности, необходимо выбирать размеры катода, позволяющие обеспечить плотность тока с него не более 150 А/см2.2. Выбор типа АЗС. При выбранном уровне анодного напряжения АЗС должна обеспечивать минимально возможный уровень диссипативных потерь и соответствовать выбранным размерам катода. В рамках проектирования следует проводить анализ применимостикак классической АЗС, так и АЗС на ВПГ, имеющих свои преимущества и недостатки. В коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн при выборе типа взаимодействияболее выгодным представляется использование режима ВПГ.3.

Оценка теплового режима АЗС. Тепловая задача разделяется на две: определениесредней температуры и импульсной добавки, а результирующая температура является ихсуммой. При превышении допустимых значений итоговой температуры за счет импульсной15добавки необходимо выполнять защиту ламелей тугоплавким металлом, либо (в случае рассмотрения классической АЗС) переходить к использованию режима ВПГ. В случае слишкомвысокого значения средней температуры наиболее целесообразным представляется применение «толстой» периферийной стенки АЗС.4. Расчет параметров СР. Параметры СР по большей части (за исключением дисперсии видов колебаний) зависят от его аксиального размера hСР на заданной частоте.

Следуетпомнить, что при выбранной аксиальной протяженности нежелательно перекрытие поршнемперестройки щелей связи. Отношение внешнего диаметра СР к внутреннему D/d в 4-мм диапазоне длин волн может лежать в диапазоне ~1,6÷2,3, а в 2-мм – ~1,4÷1,7. В последнем случае выбор допустимых значений hСР и D/d значительно осложняется увеличением влияниядопусков отклонения номинальных размеров на частоту рабочего вида СР Н011, плотностьперестройки частоты и дисперсию СР.5. Оценка применимости группировки щелей связи с целью уменьшения вклада конкурирующей гармоники ДПВ в суммарное высокочастотное поле.

При применении классической АЗС целесообразно исследовать возможность объединения в группы щелей связипрямоугольной формы с различной аксиальной протяженностью. При использовании АЗСна ВПГ дуга по периферийной стенке между соседними ламелями значительно увеличивается, что позволяет изготавливать щели связи профилированным электродом и открываетв миллиметровом диапазоне длин волн широкие перспективы по применению комбинированного способа подавления ДПВ. В случае использования АЗС с «толстыми» периферийными стенками необходимо применение диссипативного способа подавления ДПВ.6. Конструкция вывода энергии.

Несмотря на отсутствие нововведений в этом элементе, в работе выделен ряд рекомендаций, позволяющих улучшить воспроизводимость характеристик прибора.Результатом проектирования по предложенному методу является законченный расчетэлектродинамических параметров прибора. Высокая мощность современных компьютеров иналичие значительного числа программ, предназначенных для моделирования перечисленных задач, позволяют сделать вывод о принципиальной возможности проводить машинноепроектирование колебательной системы КМ, а результаты расчета могут являться основанием для вывода о возможности создания коротковолновых КМ.По предложенному методу выполнено проектирование колебательной системы КМ4-мм диапазона длин волн с низким уровнем выходной мощности (до 10 кВт в импульсе) ималой (сравнимой с магнетронами без СР и даже меньше) длительностью фронта модулирующего импульса.