Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження дисперсійних характеристик магнетронів ММДХ

Воловенко М.В.

Коливальні системи НВЧ, які використовуються в електронних приладах, призначено для того, щоб створити умови, за яких електромагнітна хвиля, котра розповсюджується, могла б найінтенсивніше взаємодіяти з електронним потоком, що рухається.

Експериментально виявлено, що найкращі умови взаємодії електронів з полем створюються у тих випадках, коли швидкість електронів та фазова швидкість хвилі близькі одна до одної (так звана синхронна взаємодія).

У багаторезонаторних магнетронах взагалі існує багато мод коливань. Для хорошої роботи магнетрону потрібно ефективно відокремити робочу хвилю від усіх інших. Для цього важливо знати частоти, що відповідають модам коливань (тобто знати спектр мод коливань) [1].

Оскільки конструкція резонаторної системи є симетричною (якщо не враховувати зв'язок з виходом), то розподілу напруг на проміжках та струмів у резонаторах також можна вважати симетричним.[2, 3]

З усіх існуючих систем в магнетронах міліметрового діапазону використовуються лопаткові та прямокутні резонатори.

Схематичний вигляд прямокутного щілинного та лопаткового резонаторів та їх провідності описані в [1].

Базуючись на наведених вище виразах та роботах [4-6] розрахуємо дисперсійні характеристики магнетронів, котрі знаходяться в експлуатації. Параметри цих магнетронів наведено в таблиці 1.

Таблиця 1

З існуючих методів розрахунків параметрів сповільнючих систем вибрано польовий метод через те що за допомогою цього методу можна обчислювати як високочастотні поля, котрі існують в системі, так і дисперсійні характеристики у кількох смугах пропускання для систем будь-якої конфігурації з досить високою точністю.

Похибка обчислень за вищезгаданим методом у порівнянні з експериментальними даними не перевищує 5 % на основній моді коливань.

Нижче наводяться дисперсійні характеристики магнетронів, котрі знаходяться в експлуатації, з різними типами резонаторних систем.

Результати розрахунків дисперсійних характеристик досліджуваних приладів наведені на рисунку 1. електрон фазовий щілинний

а б

Рис. 1. - Дисперсійна характеристика 6 мм магнетрона (а) та 3 мм магнетрона (б)

В таблиці 2 наведено похибки розрахунків для цих магнетронів

Таблиця 2

Температурна залежність дисперсійних характеристик

Температурну залежність дисперсійних характеристик отримуємо аналогічно розрахунку дисперсійних характеристик. Але при цьому вважаємо, що електроди досліджуваних приладів змінюють свої геометричні розміри за формулою

RZ=RZ(1+t) (1)

для аноду, висоти, ширини щілини резонатору, та за формулою (4) для катоду

(2)

де

- температурний коефіцієнт розширення.

Ці коефіцієнти для анодного блоку та катоду різні, тому задаються окремо. На рис. 2 наведено різниці між дисперсійними характеристиками для випадків однакової температури ~270 С (крива 1), для випадку нагріву катоду та аноду до 1000 С (крива 2), та для випадку нагріву анодного блоку до 1000 С, а катоду до 6000 С (крива 3).

А б

Рис. 2. - Дисперсійна характеристика 3 мм магнетрона (а) та 6 мм магнетрона (б) для різних температур

На рисунку 3 наведено зсув частоти на та /2 видах коливань в залежності від температури електродів.

а б

Рис. 3. - Температурна залежність дисперсійної характеристики 3-мм магнетрона (а) та 6 мм магнетрона (б) на /2 та сусідніх видах коливань

З вищенаведеного можна зробити висновок, що частота, при збільшенні температури електродів, збільшується. Але при роботі на /2-виді коливань зміни незначні.

Таким чином можна стверджувати, що роздільна здатність для /2-1 виду коливань практично не змінюється і залишається в межах 5-9%, а для /2+1 виду при температурі вторинного катоду близько 2500С дуже різко зростає і становить близько 45%. Для 6 мм приладу роздільна здатність змінюється достатньо слабко, в межах 10-14 % між /2 та /2-1 видами коливань. При температурі вторинного катоду біля 2000С зростає роздільна здатність між /2 та /2+1 видами коливань з 1 до 5 %.

При виконанні досліджень було помічено, що для систем з лопатковими резонаторами (1) роздільна здатність від температури більш помітна, ніж для систем з щілинними резонаторами (2), що дозволяє зробити такий висновок - для систем міліметрового діапазону ліпше робити лопаткові резонатори, хоча процес виробництва цих резонаторів має деякі технологічні складнощі.

Вплив геометричних розмірів приладів на дисперсійні характеристики

Виходячи з вищезгаданого є доцільним перевірити поведінку дисперсійної характеристики на /2 виді коливань для різних значень геометричних розмірів приладів. Це необхідно щоб оцінити межі, в яких можна варіювати геометричні розміри без погіршення режиму роботи приладів. Крім того, були проведені розрахунки дисперсійних характеристик в залежності від різних типів резонаторів.

Були розраховані дисперсійні характеристики в залежності від діаметру катодів, діаметра анодів, діаметра ламелей та кількості резонаторів. На рисунках 4 та 5 наведені зміни частоти /2 виду коливань 3-мм магнетрона для вищезгаданих змін. На рисунках 6 та 7 наведені зміни частоти /2 виду коливань 6-мм магнетрона для вищезгаданих змін при обрахуванні зміни частоти магнетрона в залежності від варіацій того чи іншого параметра. Решта геометричних параметрів фіксовані і відповідають даним, що наведені в таблиці 1.

Крива 1 відповідає дисперсійній характеристиці приладу з лопатковими резонаторами, крива 2 - з щілинними резонаторами.

а б

Рис. 4. - Зміна частоти /2 виду коливань 3-мм магнетрона в залежності від діаметра анода (а) та діаметра катода (б)

а б

Рис. 5. - Зміна частоти /2 виду коливань 3-мм магнетрона в залежності від діаметра ламелей (а) та від кількості резонаторів (б)

аб

Рис. 6. - Зміна частоти /2 виду коливань 6-мм магнетрона в залежності від радіуса анода (а) та від радіуса катода (б)

а б

Рис. 7. - Зміна частоти /2 виду коливань 6-мм магнетрона в залежності від радіуса ламелей (а) та від кількості резонаторів (б)

Висновки

З існуючих методів розрахунків параметрів сповільнючих систем вибрано польовий метод через те що за допомогою цього методу можна обчислювати як високочастотні поля, які існують в системі, так і дисперсійні характеристики у кількох смугах пропускання для систем будь-якої конфігурації з досить високою точністю.

Похибка обчислень за вищезгаданим методом у порівнянні з експериментальними даними не перевищує 5 % на основній моді коливань.

За допомогою створеного пакету прикладних програм здійснено дослідження впливу геометричних параметрів в залежності від температури матеріалу сповільнюючої системи на частоти генерації на основній та сусідніх модах, та на розділення основної та сусідньої мод.

Також можна зробити висновок, що частота, при збільшенні температури електродів, збільшується.

Але при роботі на /2 виді коливань зміни незначні. Це пояснюється зміною геометричних розмірів простору взаємодії.

Оскільки зміни достатньо незначні, то можна вважати, що основні параметри роботи приладу, а саме вихідна потужність та робоча частота, змінюються несуттєво.

Роздільна здатність для /2-1 виду коливань 3 мм приладу практично не змінюється, а для /2+1 виду при температурі вторинного катоду близько 2500С дуже різко зростає. Для 6 мм приладу роздільна здатність змінюється достатньо слабко, в межах 10-14 % між /2 та /2-1 видами коливань.

При температурі вторинного катоду біля 2000С зростає роздільна здатність між /2 та /2+1 видами коливань з 1 до 5 %.

Це пояснюється тим, що розміри вторинно-емісійного катоду збільшуються значно сильніше, ніж розміри анодного блоку. А це призводить до істотних змін розмірів простору взаємодії.

Для систем з лопатковими резонаторами роздільна здатність від температури більш помітна, ніж для систем з щілинними резонаторами, тому для систем міліметрового діапазону ліпше робити лопаткові резонатори.

Література

1. Коллинз Дж. Магнетроны сантиметрового диапазона. Пер. с англ. под ред. С.А. Зусмановского, М.: Сов. Радио, т. 1, 1950, 420 с.

2. Электронные СВЧ-приборы со скрещенными полями. Пер. с англ. под ред. М.М. Федорова, М.: Изд-во иностр. лит., т. 1, 1961, 456 с.

3. Электронные СВЧ-приборы со скрещенными полями. Пер. с англ. под ред. М.М. Федорова, М.: Изд-во иностр. лит., т. 2, 1961, 471 с.

4. Никитенко А.Н. Автоматизация проектирования замедляющих систем магнетронов // Материалы 3-й крымской конференции "СВЧ техника и спутниковый прием", Севастополь, 20 - 23 сентября 1993

5. Нікітенко О.М. Резонаторна система магнетрону як джерело електромагнітного випромінювання Рукопис деп. У ДНТБ України 03.10.1994, № 1950-Ук 94, 9 с.

6. Nikitenko O.M. Distribution of electrostatic potential in crossed-field system with complex electrodes' configuration // Journal of Microwaves and Optoelectronics, Vol. 2, No. 2, December 2000, PP. 1 - 9

Размещено на Allbest.ru