ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ И СИНХРОНИЗАЦИИ МАГНЕТРОНОВ

January 5, 2013 by admin Комментировать »

Чурюмов г. И., Грицунов А. В., Старчевский Ю. Л., Фролова Т. И., Басрани К. М., Экезли А. И., Перевертайло Р. А. Харьковский национальный университет радиоэлектроники пр. Ленина, 14, г. Харьков, 61166, Украина тел. 8 057 702-10-57, e-mail: g.churyumov@ieee.org

Аннотация – Полученные результаты математического моделирования и экспериментальная их проверка позво- ляют лучше ПОНЯТЬ физику процесса синхронизации колебаний в магнетронах и будут полезны разработчикам при создании когерентных магнетронных генераторов с улучшенными частотными характеристиками.

I.                                       Введение

Магнетронные генераторы относятся к наиболее эффективным приборам СВЧ и обладают рядом уникальных параметров, среди которых основными являются высокие значения кпд, высокие значения отношения генерируемой мощности к весу прибора, компактность и простота конструкции и, как следствие, относительно низкая себестоимость [1]. Однако их широкое применение, например, в области радарных технологий ограничено недостаточной стабильностью частоты генерации, высоким уровнем собственных шумов, паразитных и побочных колебаний, а также низкой долговечностью [2]. В этой связи исследования, направленные на улучшение данных характеристик магнетронов постоянно находятся в центре внимание работчиков радиоэлектронных систем. Интерес вызывает не только улучшение их энергетических характеристик (повышение мощности генерации, снижение уровней побочных регулярных и нерегулярных (шумов) колебаний), но и исследования частотных и фазовых характеристик магнетронов [3], включая специальные режимы их работы, связанные с перестройкой частоты генерации и синхронизацией генерируемых колебаний [4,5].

В настоящем докладе рассматриваются пути улучшения частотных характеристик магнетронов. Исследования связаны с анализом и выбором конструктивных решений и включают применение математических моделей магнетронов различного уровня строгости: от аналитических до численных (двух- (2- D) и трехмерных (3-D)), а также экспериментальную проверку полученных теоретических результатов.

II.                              Основная часть

Анализ работы магнетронов показывает, что в отличии от известных подходов реализации специальных режимов работы магнетронов (см., напр., [6]), интерес представляет подход, основанный на использовании нетрадиционной конструкции магнетрона (двухкаскадный магнетрон) [7]. Для исследования частотных характеристик двухкаскадного магнетрона использовалась конструцкция прибора с геометрическими и электрическими параметрами, которые представлены в Табл. 1. Моделирование проводилось с помощью программы SICM 3D 3.01, в которой реализована 3-D математическая модель двухкаскадного магнетрона. Результаты моделирования представлены на рис. 1. Анализ фазовой группировки замкнутого электронного потока показал закономерности изменения фазового расположения электронных сгустков (спиц пространственного заряда) относительно максимумов тормозящих периодов ВЧ поля при изменении электрического режима работы (изменении анодного напряжения) каждого каскада. При этом изменением режима работы внешнего каскада удается управлять амплитудой и частотой генерируемого магнетроном колебания [8].

Табл. 1. Параметры двухкаскадного магнетрона Table 1. Two-stage magnetron parameters

Параметры

Внутренний каскад

Внешний

каскад

Количество резонаторов

12

12

Частота, МГц

3025

3025

Радиус катода, мм

5,65

14,15

Радиус анода, мм

10

11,2

Высота катода, мм

24

24

Магнитная индукция, Тл

0,25

0,25

Анодное напряжение, кВ

25

25

Рис. 1. Азимутальное и аксиальное распределения электронного потока.

Fig. 1. Azimuthal and axial distributions of an electron beam

Для реализации режимов перестройки частоты генерации и/или синхронизации магнетронов может быть использован дополнительный (реактивный) вывод энергии в магнетроне. Такая идея была реализована в классической конструкции низковольтного магнетрона М 857. Основные геометрические и электрические параметры данного магнетрона приведены в Табл. 2.

Табл. 2. Параметры магнетрона М 857 Table 2. М 857 magnetron parameters

Параметры

Значение параметра

Количество резонаторов

10

Частота, МГц

9480

Радиус катода, мм

0.925

Радиус анода, мм

1.25

Высота катода, мм

4

Магнитная индукция, Тл

0,2

Анодное напряжение, кВ

0.58

На рис. 2 показана схематично конструкция магнетрона М 857. Как видно, в данной конструкции магнетрона применяются два вывода энергии 3 (активный) и 4 (реактивный), которые имеют разную степень связи с резонаторами анодного блока 2. Основной (активный) вывод энергии 3 в отличии от реактивного вывода 4 имеет более сильную связь с резонатором и служит для вывода мощности в нагрузку. Реактивный вывод применяется для перестройки частоты генерации магнетрона, а также может быть использован для решения задачи подвозбуждения (или синхронизации) с помощью внешнего СВЧ источника. Для 2-D математического моделирования электронно-волнового механизма в магнетроне такой конструкции применяется пакет программ TULIPgm. С учетом особенностей распределения ВЧ поля 71 – вида в пространстве взаимодействия разнорезона- торной системы (типа «щель – отверстие») проведено моделирование влияние уровня внешнего сигнала на частотные характеристики прибора.

Рис. 2. Схематичное изображение магнетрона М 857: 1 – катод; 2 – анод; 3 – активный выход;

4 – реактивный вывод; 5 – катодная ножка.

Fig. 2. Schematic drawing of magnetron M 857:

1               – cathode; 2 – anode; 3 – active output;

4 – reactive output; 5 – cathode stem

III.                                  Заключение

Таким образом полученные теоретические результаты указывают на принципиальную возможность реализации режима синхронизации в новой конструкции магнетрона (двухкаскадном магнетрон). Экспериментально и теоретически изучены режимы перестройки частоты и синхронизации 3-см низковольтного магнетрона.

IV.                           Список литературы

[1]  сеч-энергетика. Т. 1. Генерирование, передача, выпрямление. Под ред. Э. Окресса. – М.: Изд-во Мир. 1970.

–         464 с.

[2]  Справочник по радиолокации. T.1. Под ред. Сколника. – М.: Изд-во Мир. 1973.

[3]  И/е/с/7 Н. И/., Jr. Prediction of Traveling Wave Magnetron Frequency Characteristics: Frequency Pushing and Voltage Tuning. Proceedings of the IRE, vol. 41, 1953, pp. 1631 – 1653.

[4] Самсонов Д. E. Основы расчета и конструирования магнетронов. -. М.: Изд-во Сов. радио. 1974. – 324 с.

[5] Taiiiri., Dexter А., Carter R. Noise Performance of Frequency and Phase Locked CW Magnetrons Operated as Current Controlled Oscillators. IEEE Trans. On Electron Devices, vol. ED-52, May. 2005, pp. 1345-1356.

[6] Минаев M. И. Радиоперендающие устройства сверхвысоких частот. – Минск: Вышейшая школа, 1978. – 221 с.

[7] Churyumov G. /., Froiova Т. /.,. Gritsunov А. V. The Two- Stage Magnetron – A New Multifunctional Microwave Generator. Fifth IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC’2004), April 27 – 29, Monterey, California, 2004.

[8] Чурюмов Г. И., Фролова Т. И., Гоицунов А. В., Исаева Е. Б. Анализ частотных характеристик двухкаскадного магнетронного генератора. В1стник Сумського державного ун1верситету. Сер1я. Ф1зика, математика, механ1ка.

2004,        № 10 (69), с. с. 249 – 255.

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF FREQUENCY TUNING AND LOCK MODES OF MAGNETRONS

CliuryumovG. I., Gritsunov A. V., Frolova T. I., Starclievskiy Yu., L., Basrawi K. IV!.,

Ekezii A. I., Perevertayio R. A.

Kharkov National University of Radio Electronics Ph.: +38 057 7021057, Fax:+38 057 7021013, e-mail: g.churyumov@leee.org

Abstract-The obtained outcomes of mathematical modeling and experimental investigation allow better to understand physics of the processes of tuning frequency and phase lock in magnetrons and will be useful for the designers to create of the coherent magnetrons with the improved frequency characteristics.

I.                                        Introdiction

The modern researches of magnetrons are directed toward perfecting their constructions and eliminating available disadvantages, including both improving of power parameters and an investigation of frequency (or phase) characteristics [1-7].

In this paper the paths of frequency characteristics improving of the magnetrons are considered. The investigations are connected with analysis and choice of new designs and include application both analytic and numerical (2-D and 3-D) models of the magnetrons as well as experimental check of the theoretical results.

II.                                       Main Part

An investigation is carried out for two designs of the magnetrons: a two-stage magnetron [8] and a low-voltage X-band magnetron. The main electric and design parameters of the magnetrons are presented in Tabl. 1 and 2. For simulation the 3-D code SICM 3D 3.01 (for a two-stage magnetron) and the 2-D code TULIPgm (for a low-voltage magnetron (Fig. 2)) are applied. The analysis of phase bunching of an re-entrant electron beam in the interaction space of the two-stage magnetron permits to understand the features of driving by amplitude and frequency of output signal (Fig. 1) [9]. The influence of amplitude of external signal to the frequency characteristics of the low-voltage magnetron are obtained with consideration for features of distribution of electromagnetic field of π – mode in the interaction space of resonance delay line (cavity designs: hole-and-slot).

III.                                      Conclusion

Comparison of the theoretical and experimental results allows to draw a conclusion that considered designs of the magnetrons can be used for creation frequency tuning magnetrons and locked magnetrons.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты