Автореферат (1137077)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиПлатонов Сергей АлександровичТвердотельные импульсные модуляторы мощных генераторныхэлектровакуумных приборов СВЧСпециальность: 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройствателевиденияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 2014ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. В настоящее время для получения СВЧ колебанийвысоких уровней мощности используются электровакуумные (ЭВП)генераторные и усилительные приборы такие, как магнетроны, клистроны,лампы бегущей волны (ЛБВ) О- и М-типов.

Эти приборы используются вкачестве мощных оконечных генераторов и усилителей радиопередающихсистем (РПДС) радиолокационных станций (РЛС), систем связи, системрадиопротиводействия, технологических установок. В технике физическогоэксперимента для ускорения заряженных частиц также используются мощные ивысоковольтные ЭВП, в том числе и гиротронного типа.Как правило, ЭВП СВЧ работают в импульсном режиме. Дляформирования выходных радиоимпульсов необходимо на соответствующихэлектродах ЭВП сформировать высоковольтные импульсы напряжения. ВРПДС модулирующие импульсы напряжения формируются импульсныммодулятором (ИМ).Ранее в системах питания ЭВП использовались модуляторы, в которыхкоммутациявысокогонапряженияосуществляласьмощнымиэлектровакуумными или газоразрядными приборами.

В этих схемах частоиспользовались согласующие высоковольтные импульсные трансформаторы. Внастоящее время такие модуляторы не удовлетворяют требованиям понадежности, массе и габаритам. Как правило они не позволяют оперативноизменять параметры генерируемых импульсов, в то время как вмногофункциональных РЛС необходимо изменять длительности и частотыповторения импульсов в широких пределах, возможна работа импульснымипакетами.Одним из путей улучшения характеристик радиоимпульсов, генерируемыхв РПДС, построенных на ЭВП СВЧ, является использование схем модуляторовс частичным разрядом накопительной емкости, в которых коммутациянапряжений осуществляется высоковольтными, полностью управляемымитвердотельными составными ключами, построенными на основе большогоколичества мощных ключевых транзисторов, управляемых напряжением. Вэтом случае возможно конструировать малогабаритные импульсныемодуляторы с рабочими напряжениями до сотен кВ и импульсными токами донескольких сотен А, построенные полностью на твердотельных элементах.Такие модуляторы обладают высокой надежностью, способны оперативно (отимпульса к импульсу) изменять длительность формируемых импульсов ичастоту их повторения.

При этом импульсы имеют почти идеальнуюпрямоугольную форму и обладают высокой повторяемостью.1Исследованием твердотельных импульсных модуляторов для ЭВП СВЧзанимаются как в Российской Федерации, так и за рубежом. Значительныйвклад в эту область внесли отечественные и зарубежные ученые: Казанцев В.И.,Сергеев В.Г., Хижняков П.М., Алексеев В.А., Монин С.В., Млиник А.Ю.занимающиеся разработкой и конструированием твердотельных модуляторов.Волков А.В. исследовал особенности работы твердотельных модуляторов намагнетроны с холодным катодом. Мошкунов С.И.

изучал работу твердотельныхсоставных ключей в устройствах накачки лазеров. Ученые из фирмы DiversifiedTechnologies Inc. (США) выполняли разработки мощных систем импульсногоэлектрического питания (СИЭП) для ЭВП СВЧ на основе твердотельныхключей.Несмотря на все более широкое применение в современных РПДСтвердотельных составных ключей и модуляторов на их основе, опубликованосравнительно небольшое количество работ, в которых преимущественнопроводится обзор возможных или уже достигнутых параметров твердотельныхмодуляторов, особенностей конкретных разработок, возможные варианты схемтаких модуляторов. При этом не публикуются методики расчета режимовработы модуляторов. Не полностью сформирована теоретическая база длярасчета параметров модуляторов.

Не учитываются: особенности ЭВП СВЧ какнагрузок модуляторов, паразитные параметры отдельных элементов схемы и ихразброс. Современное состояние развития техники радиопередающих игенерирующихустройствтребуетболееглубокогоисследованиявысоковольтных модуляторов, построенных на основе составных ключей.Целью диссертационной работы является исследование высоковольтныхимпульсных модуляторов ЭВП СВЧ, построенных на основе составныхтвердотельных ключей, позволяющих улучшить параметры формируемыхимпульсов, расширить диапазоны изменения их частот повторения идлительностей.Для достижения этой цели были решены следующие задачи:• определены параметры СВЧ ЭВП как нагрузок для твердотельныхимпульсных модуляторов с учетом возможных аварийных ситуации в них;• предложена схема твердотельного импульсного модулятора, учитывающаяиндивидуальные особенности отдельных элементов и их паразитныепараметры;• проведено исследование влияния паразитных параметров схемы напараметры формируемых импульсов, а также на работу твердотельныхимпульсных модуляторов;2определены предельные режимы работы твердотельных импульсныхмодуляторов по частоте и скважности, минимальные длительности фронтовформируемых импульсов;• создан макетный образец модулятора для сопоставления результатовтеоретических исследований с наблюдаемыми на практике.Методы исследования.

Для решения поставленных в диссертационнойработе задач использовались методы эквивалентных схем, математического иимитационного моделирования, численного решения дифференциальныхуравнений, кусочно-линейной интерполяции, а также экспериментальногоизмерения.Достоверность полученных результатов обеспечивается применениемсовременныхметодовисследования,верификациейразработаннойматематической модели со стандартными пакетами программ на тестовыхсхемах, согласованностью результатов теоретических оценок и моделированияс практически полученными данными, успешным внедрением предложенныхметодик в действующие радиопередающие устройства.Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:• предложена математическая модель твердотельного импульсногомодулятора, построенного по схеме последовательного включениянескольких отдельных транзисторных ключей, учитывающая паразитныепараметры отдельных элементов схемы модулятора, позволяющая оценитьформу генерируемых импульсов, а также работу модулятора;• выявлена зависимость распределения напряжений, прикладываемых котдельным транзисторам составного ключа в динамическом режиме, отместа их расположения в схеме и значений паразитных параметров, чтопоказало возможность появления перенапряжений на отдельныхтранзисторах;• предложен способ выравнивания напряжений, прикладываемых котдельным транзисторам составного ключа, с использованиемдополнительных емкостей, подключаемых между выходными электродамитранзисторов;• определена максимальная задержка начала переключения отдельныхтранзисторов составного ключа относительно друг друга, что позволяетзадать требования к синхронности работы схем управления отдельнымитранзисторами;• определены предельные параметры формируемых твердотельнымимодуляторами импульсных последовательностей по частоте и скважности.•3Практическая и теоретическая значимость работы заключается в том, что врезультате исследований процессов, протекающих в высоковольтныхсоставных твердотельных модуляторах, были получены оценки распределениянапряжений между транзисторами составных ключей; предложен способустранения перенапряжений на транзисторах составного ключа; разработанаметодика расчета допустимых задержек начала переключения отдельныхтранзисторов относительно друг друга и предельных режимов твердотельныхмодуляторов по частоте и скважности.На защиту выносятся:• модельдвухтактноготвердотельногоимпульсногомодулятора,учитывающая паразитные параметры схемы и индивидуальные особенностиотдельных элементов, предназначенная для инженерного анализа работымодуляторов, построенных на основе составных твердотельных ключей, ипрогнозирования формы модулирующих импульсов на нагрузке;• зависимость напряжения, прикладываемого к транзисторам составныхключей модулятора, от величины их паразитной емкости на корпусмодулятора, выходной емкости транзисторов, места их расположения всхеме модулятора, полученная при анализе модели модулятора;• способ выравнивания напряжений, прикладываемых к транзистораммодулятора, состоящий во введении дополнительных компенсирующихподключаемых между выходными электродами транзисторов емкостей,величина которых определяется паразитной емкостью транзисторов накорпус модулятора и местом включения этих транзисторов в схеме;• методика расчета предельных характеристик модуляторов по частоте искважности формируемых импульсных последовательностей, состоящая ванализе тепловых режимов работы элементов модулятора;• зависимость от параметров схемы предельно допустимой задержки началапереключения отдельных транзисторов составных ключей между собой,рассчитанная на основании критерия отсутствия перенапряжений натранзисторах.Апробация работы:Основные результаты диссертационной работы докладывались иобсуждались на следующих научных конференциях:1.

Всероссийская конференция «Системы и источники вторичногоэлектропитания и элементная база для них». ОАО Электронинвест. Москва,2010 г.2. ХХХ-ая всероссийская научно-техническая конференция «Проблемыэффективности и безопасности функционирования сложных технических и4информационных систем». ФГКВОУ ВПО «Военная акадения ракетных войскстратегического назначения имени Петра Великого» МО РФ. Серпухов, 2011 г.3. Всероссийскаяконференция«Радиооптическиетехнологиивприборостроении», г.

Туапсе, 2012 г.4. Всероссийская конференция «СВЧ-электроника. 70 лет развития». ФГУП«НПП «Исток». г. Фрязино, 2013 г.Внедрениерезультатовдиссертационнойработы.Результатыдиссертационной работы использованы в НИР, проводимых в ОАО «Плутон»г. Москва, направленных на расширение диапазона рабочих частот иповышение помехозащищенности РЛС, а также решения проблемэнергосбережения и экологии.Публикации по теме диссертационной работы. По теме диссертацииопубликовано, в соавторстве, 3 статьи в журнале “Электронная техника”серия 1 СВЧ-техника, 1 статья в журнале “Вестник МГТУ”, 1 статья вэлектронном журнале «Наука и образование», 1 монография в журнале“Электронная техника” серия 1 СВЧ-техника.Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 печатныхработах, из них 6 научных статей, опубликованных в журналах из перечняВАК, и 3 тезисов докладов на научных конференциях.Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит извведения, 5 глав, заключения, содержит 173 страниц основного текста, 8страниц списка литературы (87 наименований), 82 рисунка, 13 таблиц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачиработы, дана характеристика методов исследования, отмечены научная новизнаи практическая ценность полученных результатов, сформулированы основныеположения, выносимые на защиту.В первой главе рассмотрены требования, предъявляемые к основнымпараметрам радиоимпульсов, генерируемых в РПДС. Определены диапазоныих изменения. Показано, что в РПДС на основе ЭВП СВЧ основное влияние напараметры генерируемых импульсов оказывают питающие их напряжения.Рассмотрены способы борьбы с искажениями радиоимпульсов, генерируемых вРПДС.5Рассмотрены способы генерирования импульсов высокого напряжения,питающих ЭВП. Приводятся типовые схемы, используемые для полученияимпульсов напряжения. Показано, что схемы с частичным разрядом накопителяспособны формировать импульсы с произвольными частотой повторения идлительностью.

При этом форма импульсов близка к идеальной.Показаны недостатки электровакуумных и газоразрядных коммутирующихприборов, используемых в ранее разработанных схемах. В настоящее время приразработке новых и модернизации старых РПДС используются модуляторы,построенные на основе твердотельных ключей. Однако анализ доступныхисточников информации показывает, что нельзя считать в достаточной степениизученными процессы, происходящие во время работы таких ключей. Делаетсявывод о необходимости более глубокого исследования модуляторов,построенных на основе составных твердотельных ключей.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации