Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обоснование построения усилителей миллиметрового диапазона на основе синхронизированного магнетрона 11
1.1 Электровакуумные усилители миллиметрового диапазона 11
1.2 Работа магнетрона в режиме синхронизации 16
1.3 Особенности электродинамики и электроники магнетронов миллиметрового диапазона 21
1.4 Выводы 26
Глава 2 Исследование электрических характеристик магнетрона миллиметрового диапазона с учетом реализации режима синхронизации 28
2.1 Конструкция исследуемого магнетрона 28
2.2 Исследование электродинамической системы магнетрона миллиметрового диапазона 32
2.3 Исследование электрических характеристик магнетрона в генераторном режиме 36
2.4 Исследование электрических характеристик магнетрона в режиме синхронизации 47
2.5 Выводы 55
Глава 3 Компьютерное моделирование режимов работы магнетрона в режиме синхронизации Входным сигналом 58
3.1 Основные положения используемой модели генераторного режима магнетрона 59
3.2 Основы моделирования работы магнетрона в режиме синхронизации входным сигналом 64
3.3 Особенности алгоритма моделирования работы магнетрона в режиме синхронизации входным сигналом 68
3.4 Результаты расчета и анализа электрических характеристик магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом72
3.5 Выводы 79
Глава 4 Усилительное устройство миллиметрового диапазона на базе магнетрона работающего в режиме синхронизации 82
4.1 Конструкция усилительного устройства миллиметрового диапазона 82
4.2 Методика определения параметров рассогласующей диафрагмы 84
4.3 Результаты исследования электрических характеристик усилительного устройства 87
4.4 Выводы 94
Заключение 97
Список литературы 101
- Особенности электродинамики и электроники магнетронов миллиметрового диапазона
- Исследование электрических характеристик магнетрона в генераторном режиме
- Основы моделирования работы магнетрона в режиме синхронизации входным сигналом
- Методика определения параметров рассогласующей диафрагмы
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время одним из направлений развития электронного приборостроения является освоение миллиметрового диапазона длин волн в обеспечение требований современной радиотехники. При переходе в этот диапазон существенно усложняются решения многих конструктивно-технологических проблем создания электронных приборов, в частности работающих в усилительном режиме, что связано с уменьшением размеров элементов конструкции приборов и с необходимостью обеспечения эффективного от них теплоотвода.
Недостатком ЛБВ и клистронов миллиметрового диапазона является высокая стоимость, большие массогабаритные параметры и высокие требования к источнику анодного питания. Это существенно сдерживает их применение в мобильных, а тем более в бортовых РЛС. В таких РЛС весьма перспективно использование усилителей, в которых магнетрон работает в режиме синхронизации входным сигналом. Тем более, что разработанные к настоящему времени магнетроны миллиметрового диапазона характеризуются высоким КПД, низким анодным напряжением, простотой конструкции, малыми размерами и массой, а также стоимостью (А.Я. Усиков, А.А. Гурко, В.П. Еремин, В.Д. Науменко, В.Д. Еремка и др.). Недостатком таких усилителей является узкая полоса усиливаемых частот.
Теоретическому и экспериментальному исследованию режима синхронизации магнетронов посвящено весьма много работ зарубежных и отечественных авторов (Р. Адлер, Дж. Клайн, Х. Таль, М.М. Райнер, А.М. Трифонов, С.И. Бычков, А.Н. Каргин, Э.М. Гутцайт, Ю.Р. Лемзель, И.И. Минакова, В.Г. Клещук и др.). Однако в очень малом числе работ рассматривался режим синхронизации в миллиметровом диапазоне (В.Д. Науменко, Р.П. Федий). В теоретических исследованиях использовались лишь приближенные модели магнетрона. Между тем электроника и электродинамика магнетронов миллиметрового диапазона существенно отличаются от электроники и электродинамики магнетронов сантиметрового и дециметрового диапазонов, работающих на основной гармонике p-вида колебаний. Эти отличия должны учитываться при решении вопроса увеличения полосы усиливаемых частот усилителя миллиметрового диапазона, в котором используется магнетрон.
Для успешного решения задач по созданию усилителей на магнетроне, в том числе в миллиметровом диапазоне, важное значение имеет наличие численных методов моделирования работы этого прибора в режиме синхронизации. Такие методы в настоящее время отсутствуют, несмотря на наличие ряда численных моделей магнетронов, работающих в генераторном режиме (А.А. Терентьев, В.Б. Байбурин, И.К. Гурьев, А.С. Рошаль, А.Г. Шеин, А.А. Шадрин и др.).
Следовательно, актуальными задачами являются поиск путей создания в миллиметровом диапазоне длин волн низковольтного усилителя высокого уровня мощности с низкими требованиями к источнику анодного питания и достаточно широкой полосой усиливаемых частот на базе магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, а также разработка численной модели его работы в этом режиме.
Целью диссертационной работы является определение условий, обеспечивающих увеличение рабочей полосы частот усилителя высокого уровня мощности миллиметрового диапазона на базе магнетрона, работающего в режиме синхронизации, поиск путей практической реализации этих условий, а также разработка численной модели для расчета электрических характеристик такого усилителя.
Задачи исследования:
1. Экспериментальные исследования по определению условий, обеспечивающих увеличение диапазона усиливаемых частот усилителя миллиметрового диапазона на магнетроне, работающего в режиме синхронизации, и поиск путей их практической реализации.
2. Разработка методики прогнозирования диапазона усиливаемых частот магнетрона миллиметрового диапазона, работающего в режиме синхронизации по результатам «холодных» измерений и динамических испытаний в генераторном режиме.
3. Создание численной математической модели магнетрона, работающего в режиме синхронизации, обеспечивающей расчет электрических характеристик прибора при его работе в этом режиме.
4. Реализация конструктивного решения, обеспечивающего увеличение полосы усиливаемых частот усилителя миллиметрового диапазона на магнетроне, работающего в режиме синхронизации.
5. Разработка принципов построения усилительного устройства с увеличенным диапазоном усиливаемых частот на магнетроне, работающем в режиме синхронизации входным сигналом.
Научная новизна работы:
-
Показано, что при прогнозировании полосы синхронизации магнетронов миллиметрового диапазона, работающих на дублете вида колебаний, отличающегося от p-вида, нельзя использовать резонансную кривую рабочего вида колебаний.
-
Показано, что увеличение полосы синхронизации магнетрона достигается при включении между его выходом и ферритовым циркулятором рассогласованного элемента с фазой коэффициента отражения, совпадающей с фазой коэффициента отражения рассогласованной нагрузки, при которой происходит резкое изменение частоты магнетрона, работающего в генераторном режиме, при изменении ее фазы.
-
Реализован описанный в п. 2 подход к увеличению полосы синхронизации магнетрона в конструктивное решение усилительного устройство миллиметрового диапазона с увеличенной полосой усиливаемых частот на этом приборе.
-
Построена численная модель магнетрона, работающего в режиме синхронизации, и на ее основе разработано программное обеспечение расчета электрических характеристик синхронизированного магнетрона.
Достоверность результатов и выводов диссертации подтверждается применением апробированных методик измерения и аттестованной аппаратуры при экспериментальных исследованиях, корректного применения методов моделирования и соответствием результатов моделирования экспериментальным данным, реализацией результатов исследования при конструировании промышленных образцов усилительных устройств.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
-
Малое разделение резонансных частот дублетов рабочего вида колебаний резонаторной системы магнетрона миллиметрового диапазона, отличающегося от p-вида, не позволяет прогнозировать его ширину полосы синхронизации по резонансной кривой рабочего вида колебаний.
-
Максимальный диапазон усиливаемых частот усилительного устройства на синхронизированном магнетроне достигается при той фазе коэффициента отражения рассогласованного элемента, включаемого между выходом прибора и ферритовым циркулятором, при которой имеет место резкое изменение генерируемой частоты магнетрона, когда изменяется фаза рассогласованной нагрузки.
-
Численная математическая модель магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, и результаты расчета его электрических характеристик, выполненные на базе этой модели.
-
Принцип построения усилительного устройства миллиметрового диапазона с увеличенной полосой усиливаемых частот на магнетроне, заключающийся в том, что между выходом магнетрона и ферритовым циркулятором включены две пластины: одна их них обеспечивает фазу коэффициента отражения, а другая – КСВн, при величинах которых достигается максимальная полоса усиливаемых частот.
-
Методика оперативного определения геометрических параметров пластин, включаемых между выводом энергии магнетрона и ферритовым циркулятором, с целью увеличения полосы усиливаемых частот усилительного устройства миллиметрового диапазона, использующего этот прибор.
Теоретическую значимость имеют разработанная математическая модель магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, и результаты расчета его электрических характеристик на базе этой модели.
Практическую значимость имеют методика прогнозирования полосы синхронизации магнетронов миллиметрового диапазона, работающих на дублете вида колебаний резонаторной системы, отличного от p-вида; предложения включения между выводом энергии магнетрона и ферритовым циркулятором двух пластин с определенными геометрическими параметрами с целью увеличения полосы усиливаемых частот усилительного устройства миллиметрового диапазона на магнетроне, работающего в режиме синхронизации входным сигналом; реализация этого предложения в конструкции таких усилительных устройств; методика определения геометрических параметров таких пластин, позволяющая сократить время этой технологической операции.
Личный вклад автора:
проведение теоретических и экспериментальных исследований;
отработка методик «холодных» измерений и динамических испытаний макетов, приборов и устройств, необходимых для проведения экспериментальных исследований;
обработка, анализ и обобщение полученных результатов.
Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения (Саратов 2010, 2012), Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010), 13th IEEE International Vacuum Electronics Conference IVEC 2012 (Monterey, 2012), а также на научных семинарах кафедры «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета и научно-технических советах в ОАО «НИИ «Тантал» и ООО «ОКБ Приборостроение».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и акта внедрения выполненных исследований. Ее объем 109 страниц, 54 рисунка, 87 наименований цитируемых источников.
Особенности электродинамики и электроники магнетронов миллиметрового диапазона
Явление захвата частоты генератора внешним сигналом, лежащее в основе синхронизации, широко известно в радиотехнике [21] и исследовалось на многих типах генераторов гармонических колебаний. При достаточно близких частотах автогенерации f0 и внешнего сигнала fc происходит захват частоты автогенерации, и генерация осуществляется на частоте внешнего сигнала fc. При большой расстройке частот fc и f0 происходит срыв синхронизации, и генератор переходит в режим автоколебаний. Разность между максимальной и минимальной частотами синхронизирующего сигнала, при которых еще возможен захват частоты, называют шириной полосы синхронизации.
Теоретическая полоса синхронизации СВЧ-генератора Afc определяется соотношением [30]: Л г=- (1.1) где: f0- частота автогенерации; QBH- внешняя добротность колебательной системы генератора; Рвх - мощность внешнего сигнала; Рвых - выходная мощность генератора.
Магнетрон является двухполюсником, и для реализации режима синхронизации входным сигналом он обычно снабжается циркулятором, обеспечивающим разделение подвода входного сигнала и съема выходного. Такое устройство получило именование цирклотрона. Структурная схема работы магнетрона в режиме синхронизации представлена на рис. 1.1.
Как видно, основными элементами схемы являются два элемента: магнетрон и циркулятор, подключенный к выводу энергии магнетрона. Циркулятор также служит развязкой между генератором и нагрузкой. При анализе обычно полагают циркулятор идеально согласованным в рабочей полосе частот со стороны магнетрона и обеспечивающим идеальную развязку от внешней нагрузки, что полностью исключает влияние рассогласованной нагрузки на условия его работы в режиме синхронизации.
Общие вопросы синхронизации генератора внешним сигналом рассматривались многими исследователями. В [24], например, дается общий анализ установившегося и переходного режимов единичного синхронизированного генератора, в [25] приводятся данные по синхронизации магнетронов внешним сигналом, подаваемым через циркулятор. Работа [26], посвящена определению зависимости предельных значений произведения коэффициента усиления на ширину полосы синхронизации магнетрона от величины параметров, обеспечивающих такой режим. В работах [27-28] исследуется режим самосинхронизации магнетрона, при котором уменьшается собственные шумы магнетрона.
Результаты отечественных исследований по синхронизации магнетронов впервые представлены в работах [29-32]. Так в работе [30] рассмотрен двухкаскадный магнетронный генератор 3-х сантиметрового диапазона, в котором управление частотой магнетрона выходного каскада осуществляется посредством синхронизации его маломощным генератором, подключенным через ферритовый циркулятор. Установлено, что синхронизованный магнетрон (вместе с циркулятором) по электрическим характеристикам близок к амплитрону, прибору, в котором в отличие от магнетрона имеются отдельные ВЧ вход и выход [5]. В работе [32] исследована зависимость ширины полосы синхронизации магнетрона от модуля и фазы коэффициента отражения нерезонансной неоднородности, включенной между магнетроном и циркулятором. В этой статье показано, что введение нерезонансной неоднородности позволяет увеличить полосу синхронизации генератора в несколько раз без существенного уменьшения выходной мощности.
В работе [34] получено аналитическое выражение для определения ширины полосы синхронизации синхронизированного генератора с резонансной колебательной системой с учетом его электрического режима. В работе [36], рассматривается синхронизация миниатюрных магнетронов непрерывного действия.
Принципиальная схема синхронизированного генератора, исследуемая в [32], представлена на рис. 1.3. Между генератором и идеальным (согласованным) циркулятором включена неоднородность с коэффициентом отражения Гн exp jq H; где Гни рк- модуль и фаза коэффициента отражения от этой неоднородности.
Блок-схема синхронизации магнетрона, рассмотренная в [33]. Гн — вводимая между магнетроном и циркулятором неоднородность Соотношение для определения ширины полосы синхронизации магнетрона при включении отражающего элемента между его входом и циркулятором получено в [35] в виде:
Исследование электрических характеристик магнетрона в генераторном режиме
Специфика электродинамической системы магнетрона миллиметрового диапазона заключается в наличии дублетов рабочего вида колебаний, которые в различной степени связаны с выводом энергии. Это отражается в часто используемой терминологии: один из дублетов называют «нагруженным», а другой - «ненагруженным». Взаимодействие электронного потока происходит с ВЧ полем только одного из дублетов. Поэтому для оценки полосы синхронизации необходимо знать величину внешней добротности именно «взаимодействующего» дублета. Определение величины этого параметра на этапе «холодных» измерений затруднено в связи с малым различием резонансных частот дублетов. Это отражается на резонансной кривой, по которой невозможно определить внешнюю добротность каждого из дублетов с помощью обычно используемой методики по резонансной кривой рабочего вида колебаний. Данное обстоятельство определило направление проведенных исследований электродинамической системы магнетрона в [76-78].
На рис.2.5 приведена осциллограмма резонансной кривой рабочего вида колебаний магнетрона, снятая на согласованную нагрузку на его выходе с использованием панорамного измерителя КСВн типа Р2-65. Цифрами 1 и 2 отмечены резонансные частоты дублетов. Относительная разность резонансных частот составляет 0,53%. Величина внешней добротности, определенная по такой резонансной кривой, находится в пределах QBH=60-70.
С целью определения величины внешней добротности каждого из дублетов рабочего вида колебаний, исследовалось изменение вида резонансной кривой и частоты дублетов при изменении параметров нагрузки. Это изменение осуществлялось за счет рассогласователя, подключаемого к выводу энергии магнетрона. Рассогласователь представляет собой волновод, вдоль широкой стенки которого перемещается зонд. Конструкция рассогласователя будет описана в главе 4. При изменении глубины погружения зонда изменялся КСВн рассогласователя, при перемещении зонда вдоль волновода изменялась фаза коэффициента отражения.
На рис.2.6 приведена зависимость резонансных частот дублетов рабочего вида колебаний от фазы коэффициента отражения нагрузки с величиной КСВн=3. На рис.2.7 приведена зависимость резонансных частот дублетов этого вида колебаний от величины КСВн нагрузки при фиксированной фазе коэффициента отражения.
Как видно, при рассогласованной нагрузке происходит увеличение различия между резонансными частотами дублетов. Это иллюстрируется осциллограммой резонансной кривой, приведенной на рис. 2.8, где относительные значения резонансных частот дублетов равны 0,9971 и 1,0083.
Из эксперимента следует, что оба дублета рабочего вида колебаний связаны с нагрузкой через вывод энергии прибора, только они характеризуются разной степенью связи с нагрузкой. Согласно данным на рис. 2.6 и 2.7, зависимость «1» соответствуют «ненагруженному» дублету, зависимость «2» соответствует «нагруженному».
Характеристикой степени связи резонаторной системы с нагрузкой является величина внешней добротности. Эта величина может быть определена по максимальной величине изменения резонансной частоты системы при изменении фазы коэффициента отражения нагрузки с фиксированной величиной КСВн при использовании соотношения [6]:
Таким образом, при использовании снятых на «холодных» измерениях зависимостей резонансных частот дублетов видов колебаний резонаторной системы магнетрона миллиметрового диапазона от фазы рассогласованной нагрузки следует определять величину внешней добротности каждого из дублетов.
Динамические испытания экспериментальных магнетронов в генераторном режиме проводились на стенде, структурная схема, которой показана на рис. 2.9.
Анодное питание исследуемого магнетрона (поз. 5, рис. 2.9) осуществлялось от модулятора с частичным разрядом накопительной емкости (поз. 2, рис. 2.9). Длительность модулирующего импульса задается с помощью генератора импульсов Г5-56 (поз. 3, рис. 2.9). Измерение импульсного анодного напряжения производилось при использовании пикового делителя напряжения (поз.1, рис. 2.9), который преобразует импульсное напряжение в постоянное с определенным коэффициентом деления. Индикация анодного напряжения осуществлялось вольтметром В7-40 (поз.4, рис. 2.9). При измерении анодного тока использовался трансформатор тока (поз.9, рис. 2.9) с коэффициентом деления 0,5 А/В и цифровой осциллограф Tektronix TDS 2024В (поз. 15, рис. 2.9).
Генерируемая частота измерялась, а качество спектра контролировалось с помощью анализатора спектра Agilent PSA Е4440А (поз. 16, рис. 2.9). Преобразование частоты магнетрона в диапазон частот анализатора спектра осуществлялось с помощью смесителя (поз. 13, рис. 2.9). С этой целью на него подавался сигнал с гетеродина анализатора спектра с частотой равной частоте 6 гармоники гетеродина. Диплексер (поз. 14, рис. 2.9) служит фильтром, выделяющим эту частоту. Для контроля огибающей входного сигнала применяется осциллограф Tektronix TDS2024B, на вход которого сигнал подается с детекторной секции (поз. 12, рис. 2.9).
Выходная ВЧ-мощность исследуемого магнетронного генератора (поз.5, рис. 2.9) через двойной направленный ответвитель (поз.6, рис. 2.9) подавалась на согласованную нагрузку (поз.7, рис. 2.9), а величина мощности контролировалась с помощью измерителя МЗ-56 (поз. 8, рис. 2.9). Все эксперименты на магнетроне проходили с постоянными магнитами при индукции магнитного поля В=0,5 Тл. Рабочая длительность импульса исследуемого магнетронного генератора, замеренная по уровню 0,5 ВЧ-огибающей выходного сигнала, составляла 0,18 мкс, скважность - 1000.
Осциллограмма импульсов анодного тока и ВЧ-огибающей представлена на рис. 2.10. Выброс тока в передней части импульса обусловлен зарядом паразитных емкостей (модулятора, магнетрона, проводов). Измерение амплитудного значения анодного тока проводилась по плоской части импульса анодного тока, которая соответствует огибающей выходного сигнала.
Основы моделирования работы магнетрона в режиме синхронизации входным сигналом
Оценка полосы синхронизации магнетрона, как правило, проводится с использованием соотношения (1.1), полученного при анализе лишь электродинамической системы генератора. Известно [34], что оно дает завышенные значения полосы синхронизации. Поэтому для более полного обоснования полосовых свойств магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, необходим учет процесса взаимодействия электронного облака с ВЧ полем резонаторной системы прибора.
Такой учет при рассмотрении работы магнетрона в режиме синхронизации входным сигналом был выполнен Гутцайтом Э.М. [41-45]. При этом использовалось представление, при котором резонаторная система магнетрона и сгруппированное в спицы электронное облако заменялись эквивалентными двухполюсниками, соединенными параллельно. Каждый их двухполюсников характеризовался величинами комплексной проводимости. Учитывалось, что активная и реактивная компоненты электронной проводимости зависят от формы сгруппированных электронных спиц и их расположение в ВЧ электрическом поле резонаторной системы, т.е. зависят от электрического режима магнетрона, в том числе и от амплитуды ВЧ поля резонаторной системы, которая в свою очередь, является суммой ВЧ поля, наведенного сгруппированным электронным облаком, и ВЧ поля входного сигнала. При использовании условия баланса мощности были получены соотношения, на базе которых проводился расчет электрических характеристик магнетрона в режиме синхронизации входным сигналом, в том числе осуществлялась оценка полосы синхронизации. Форма электронных спиц и их положение в ВЧ поле резонаторной системы в [41] определялись без учета траекторий движения электронов и с использованием приближенных модельных представлений.
Однако более точные представления о формировании электронных сгустков и их положении в ВЧ поле резонаторной системы может дать лишь компьютерное моделирование при использовании метода крупных частиц, обеспечивающее решение уравнений движения электронов в условиях влияния всех электрических полей, действующих в работающем магнетроне. Только такое моделирование позволяет с большей точностью, нежели с использованием приближенных моделей, провести расчет электрических характеристик магнетрона в режиме синхронизации входным сигналом. По результатам анализа этих характеристик может быть определена полоса синхронизации магнетрона. Очевидно, построение математической модели магнетрона, работающего в режиме синхронизации, должно проводиться на базе аналогичной модели генераторного режима магнетрона.
В настоящей работе при построении модели магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, в качестве исходной была выбрана численная модель этого прибора, развитая в [47-55]. Эта модель учитывает специфику работы магнетронов миллиметрового диапазона [15-20,81].
Моделирование физических процессов в магнетроне предполагает самосогласованное решение двух задач: определение распределения электронного облака, сформированного под действием ВЧ электрических полей в пространстве катод-анод, и определение ВЧ поля резонаторной системы, наведенного сгруппированным электронным облаком. При решении этих задач в работах [47-55] проводится моделирование взаимодействия электронного облака с ВЧ полем резонаторной системы во всем межэлектродном пространстве в неподвижных координатах. Именно такой подход обеспечивает учет многоволновых явлений и разрезной характер поверхности анода. В модели [47-51] приняты следующие допущения: - используется двумерное приближение, где координаты х и у связаны с полярными координатами г и ф как х = ф, у = 1п(г/ гк), где гк - радиус катода; - используется квазистационарное приближение (фазовая скорость ВЧ волны много меньше скорости света); - не учитываются релятивистские эффекты; - не учитываются магнитные ВЧ поля и магнитное поле, обусловленное движением электронов.
В соответствие с используемым методом электронное облако представляется набором крупных частиц, имеющих отношение заряда к массе, как у электрона. С учетом двумерного приближения уравнение движения имеет следующий вид .. .2-2 е2у дФ г к ду дФ у + у -X +й)сХ = Т] (3-1) х + 2ху-щу = т] г2к дх где т=е/т - отношение заряда к массе электрона; сос=пВ - циклотронная частота; В - аксиальная компонента индукции магнитного поля; В уравнениях движения Ф - потенциал электрического поля, действующего в пространстве взаимодействия. Оно равно Ф=Фст+ФпЗ+ФвЧ, где Фст - потенциал электростатического поля; Фпз - потенциал поля, создаваемого пространственным зарядом; Фвч потенциал, обусловленный ВЧ полем резонаторной системы. Потенциал электростатического поля определяется решением уравнения Лапласа: д2Ф д2Ф
В программном обеспечении [47-51] предусмотрен алгоритм расчета с использованием метода последовательных приближений при задании начального состояния, включающего величину заряда в электронной втулке, количество и распределение крупных частиц, а также «затравочную» величину амплитуды ВЧ напряжения резонаторной системы.
Методика определения параметров рассогласующей диафрагмы
Как видно из рис. 4.10, на высокочастотном краю диапазона частот имеет место сокращение рабочей области анодных токов за счет увеличения тока, с которого начинается процесс усиления. При этом при уменьшении входной мощности происходит уменьшение величины анодного тока, с которого начинается процесс усиления. Данное явление не описывается в рамках рассматриваемой модели.
На рис. 4.11 и 4.12 приведены экспериментальные зависимости выходной мощности усилительного устройства от частоты входного сигнала для ряда значений входной мощности при фиксированном значении анодного тока и для ряда значений анодного тока при фиксированной величине входной мощности. Эти экспериментальные данные также являются подтверждением адекватности рассмотренной модели. В частности, подтверждается, что - при фиксированной величине анодного тока величина выходной мощности практические не зависит от уровня входной мощности, а если увеличивается, то только на величину увеличения входной мощности, т.е. усилительное устройство на магнетроне является насыщенным усилителем; - ограничение области усиливаемых частот со стороны низких и высоких частот связано с явлением срыва усиления.
Экспериментальные данные на рис 4.11 и 4.12 являются основой для определения полосы усиливаемых частот. При этом возможно два подхода. В первом подходе используется критерии, применяемые при определении рабочего диапазона частот усилителей магнетронного типа: при фиксированной величине анодного тока, который называется номинальным, коэффициент усиления при фиксированном уровне входной мощности должен быть не ниже определенной величины. Такие критерии выбираются с учетом того, что в аппаратуре источниками анодного напряжения таких усилителей в полосе частот обеспечивается постоянство величины анодного тока, а источники входного сигнала обеспечивают величину ее мощности не ниже определенного уровня. Ниже этого уровня входной мощности не гарантируется усилителем требуемые электрические и эксплуатационные параметры.
При втором подходе полоса усиливаемых частот, которую следует называть полосой синхронизации, определяется при фиксированном уровне выходной мощности и без учета факторов в части анодного тока и коэффициента усиления.
Как видно из рис. 4.11 и 4.12, на высокочастотном краю диапазона ток срыва выше, чем на низкочастотном. Кроме того, на высокочастотном краю происходит существенное уменьшение коэффициента усиления. Если за номинальную величину анодного тока принять величину тока срыва на низкочастотном краю, то следует вывод, что диапазон усиливаемых частот меньше полосы синхронизации.
Ниже оценка полосовых свойств усилителя проводиться с использованием первого подхода. Известно, что при работе усилителя в режиме насыщения при увеличении входной мощности, уменьшается коэффициент усиления, но происходит увеличение ширины полосы усиливаемых частот. Как следует из рис. 4.11, при анодном токе 1а=3 А, входной мощности Рвх-50 Вт и коэффициенте усиления Ку=20 (13 дБ), ширина полосы усиления Af7fo=0,53%. При уменьшении входной мощности:
При увеличении анодного тока увеличивается коэффициент усиления и соответственно уменьшается полоса усиливаемых частот. Так, если при величине анодного тока 1а =3 А и коэффициенте усиления Ку = 20 (13 дБ) полоса усиления была равной 0,53 %, а при токе 1а=3,6 А и коэффициенте усилении Ку=23 (13,6 дБ) ширина полосы усиления составляет 0,46 %. Как видно из данных рис. 4.12, изменение ширины полосы усиления в этом случае в основном происходит за счет низкочастотного ее края.
Таким образом, экспериментальное исследование разработанного усилительного устройства миллиметрового диапазона на синхронизированном магнетроне показало, что по электрическим характеристикам он является типичным усилителем магнетронного типа.
