Введение к работе
Актуальность темы. Развитие радиолокации, радионавигации, систем связи - традиционных областей применения электровакуумных приборов сверхвысоких частот (ЭШ СВЧ), в том числе магнетронов, расширение их использования в технологических процессах и физических исследованиях, требуют усовершенствования конструкций и улучшения параметров указанных приборов. В полной мере это относится к важному классу магнетронов - коаксиальным магнетронам (КМ) и обращенным коаксиальным магнетронам (ОКМ), которые обладают такими преимуществами по сравнению с магнетронами "классической" конструкции - связочными и разно-резонаторными, как повышенная стабильность частоты, более высокие выходная мощность и коэффициент полезного действия (КПД)* Указанными преимуществам» объясняется широкое применение КМ и ОКМ, а также интерес к вопросам их расчёта и проектирования.
Для КМ и ОКМ характерно наличие сложной колебательной системы, включающей в себя пространство взаимодействия, замедляющую систему (SC), стабилизирующей резонатор (СР) и систему щелей связи, связывающих СР с ЗС. Важным элементом является выходное устройство, обеспе^авЁщее вывод СВЧ энергии в волновод нагрузки, и включающее в себя в большинстве случаев, четвертьволновый трансформатор полных сопротивлений в виде отрезка Н-об-разного волновода. Сложность а трудоёмкость изготовления колебательных систем КМ и ОКМ обосновывают необходимость проведения исследований, имеющих целью определение электродинамических параметров КМ и ОКМ расчётными методами, не прибегая к дорогостоящим экспериментам, или, по крайней мере, сводя объём экспериментальных работ к минимуму. Особенно перспективными такие исследования становятся с возрастанием роли систем автоматизированного проектирования (САПР), применение которых позволяет значительно уменьшить трудоёмкость и усаорить разработку ЭВП СВЧ.
В исследованиях по электродшакгке колебательных систем КМ и ОКМ, выполненных и опубликованных в последние десятилетия, получен ряд важных результатов. Предложены изтоды расчёта основных электродинамических параметров, сформулированы допущения, на основе которых выполнен теоретический анализ. Однако к началу выполнения настоящей работы не существовало методики, позволяющей лвдучит* приемлемую точность совпадения расчётных данннт
с экспериментальными. Предшествующие исследования основывались на использовании ряда допущений, а в некоторых случаях и довольно грубых приближений, не обеспечивающих требуемой точности вычислений, и позволяющих проводить только качественную оценку электродинамических параметров КМ и ОКМ. Отсутствие возможное- . ти достаточно точного расчёта электродинамических характеристик усложняет в удорожает проектирование КМ и ОКМ за счёт существенного возрастания объёма экспериментальных работ, требующих значительных затрат труда и материалов.
Целью настоящей, диссертационной работы является выполнение теоретических исследований электродинамики колебательных систем КМ и ОКМ и разработка на их основе методики расчёта электродинамических характеристик, позволяющей получить удовлетворительное совпадений результатов вычислений и экспериментов.
Для достижения этой цели необходимо было решить комплекс следующих задач:
выбрать методы анализа электродинамики стабилизирующих резонаторов КМ и ОКМ, получить соотношения для вычисления прово- днмости стабилизирующего резонатора на границе со щелью связи;
вывести формулы, позволяющие рассчитывать параметры Н-об-разного волновода, на основе решения волнового уравнения, без каких-либо ограничений на размеры поперечного сечения;
получить соотношения для учёта дополнительной трансформации сопротивления в плоскости сочленения В-образного и прямоугольного волноводов;
разработать методику пересчёта комплексной проводимости нагрузки через стабилизирующий резонатор;
создать расчётную модель, позволяющую с минимальным количеством допущений рассчитывать электродинамические характеристики КМ и ОКМ на рабочем и паразитных видах колебаний, в том числе ж на длинноволновом /Г-ввде колебаний (ДИВ);
разработать алгоритмы и программу расчёта резонансных частот, характеристической проводимости, коэффициента стабилизации
и внешней добротности;
- провести теоретическое и экспериментальное исследование
различных типов КМ и ОКМ.
Методы исследования. Вывод основных поло-mntt мювертивюнной работы основан на решении фундаментального
волнового уравнения, теории волноводов, теории СВЧ-цепей. Оценка точности разработанных алгорлтноз и програмt осуществлялась сравнением численних результатов с результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна работы заклинается в следующем:
-
Показано, что неоднородность в плоскости сочленения прямоугольного волновода нагрузки и четвертьволнового трансформа-тора в ваде отрезка В-образного волновода существенна, поэтому необходим учёт дополнительной трансформации сопротивления в указанной плоскости сочленения на основе точного решения волнового уравнения.
-
Разработана иетодика пересчёта комплексной проводимости нагрузки через стабилизирущий резонатор, учитывающая возмущение электромагнитного поля стабилизирующего резонатора щелями связи и цельа вывода энергии.
-
Показано, что для расчёта резонансных частот паразитного длинноволнового ^Г-вЕда колебаний (ДПВ) с приемлемой точностью необходимо учитывать влияние прилегающих к щелям связи резонансных полостей. Создана расчётная модель, позволяющая рассчитывать критические длины волн колебательной системы на ДПВ.
-
На основе единого подхода к теоретическому анализу различных волноводно-резонаторных элементов, входящих в колебательную систему, разработана расчётная модель, позволяющая с минимальным количеством допущений рассчитывать электродинамические характеристики КН а ОКМ на рабочем и паразитных видах колебаний, в том числе на ДПВ.
-
Показано, что устранение ДПВ из спектра частот ЕМ и ОКМ, или, по крайней мере, сведение его метящего действия к минимуму, возможно при уменьшении до нескольких микрон толщины металлической цилиндрической стенки анодного блока, выполненной в виде напыления на цилиндрической керамической подложке.
-
Предложенные методы расчёта электродинамических характеристик КМ и ОКМ позволили создать быстродействующую программу ТУ NE расчёта резонансных частот, характеристической проводимости, коэффициента стабилизации и внешней добротности.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
I. Разработанные методика и программа позволяют рассчиты-
и. 7h электродинамические характеристики КМ и ОКМ с точностью, v. статочной для проектирования и усовершенствования КМ и ОКМ.
-
Программа позволяет проводить оптимизацию конструкции ксаебателъных систем и выходных устройств КМ и ОКМ.
-
Программа расчёта электродинамических характеристик КМ и ОКМ пригодна для использования в системе автоматизированного проектирования магнетронов.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Неоднородность в плоскости сочленения прямоугольного волновода нагрузки и четвертьволнового трансформатора в виде отрезка Н-образного волновода существенна (расчётный коэффициент трансформации сопротивления в этой плоскости составляет 5-6), поэтому вычисление внешней добротности КМ и ОКМ с приемлемой точностью возможно только при учёте дополнительной трансформации сопротивления в указанной плоскости сочленения на основе точного решения волнового уравнения.
-
При расчёте внешней добротности КМ и ОКМ необходимо учитывать возмущение электромагнитного поля стабилизирующего резонатора, характеризующееся двумя факторами - изменением закона распределения электромагнитного поля вдоль щелей связи и вывода энергии, а также появлением тангенциальной составляющей электрического поля на границе стабилизирующего резонатора с указанными щелями.
-
Электромагнитное поле ДПВ существует не только в щелях связи, но и в прилегающих к ним резонансных полостях - стабилизирующем резонаторе и коаксиальных зазорах между цилиндрическими поверхностями анодного блока и полюсных наконечников. Поэтому для расчёта электродинамических характеристик КМ и ОКМ на ДПВ с приемлемой точностью необходим учёт влияния указанных резонансных полостей.
-
Устранение ДПВ из спектра частот КМ и ОКМ, или, по крайней мере, сведение его мешающего действия к минимуму, возможно при уменьшении до нескольких микрон толщшы цилиндрической металлической стенки анодного блока, выполненной в виде напыления на цилиндрической керамической подложке.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- Всесоюзном научном семинаре по электродинамике периода-
ческах и нерегулярных структур при секции электропики НТО РЭС им. Л.С. Попова, Москва, 1988;
- Всесоюзном научном семинаре по электродинамике периодических и нерегулярных структур при секции электроники НТО РЭС ем. А.С. Попова, Москва, 1992.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, среди которых три изобретения и три статьи.
Реализация и внедрение результатов. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии "Плутон" и в Харьковском институте радиоэлектроники.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырёх разделов с выводами, заключения, списка принятых обозначений и списка литературы, включашцзго 63 наименования. Основная часть работы изложена на 156 страницах мапиноппсного текста. Работа содержит 43 рисунка и 5 табжщ.
