автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Анализ стационарных режимов генерации и усиления в магнетронах и рекомендации по усовершенствованию функциональных узлов приборов М-типа

<к/' ' ; ^ «6, о { 0639-Г

\У!

ч,1: -....... - ? ?

т" 4

" '' ' ' ' г». Г' ■

' ............На правах рукописи

" и

Л " ............................................

ГУТЦАЙТ Эдуард Михелевич

АНАЛИЗ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ГЕНЕРАЦИИ И УСИЛЕНИЯ В МАГНЕТРОНАХ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ ПРИБОРОВ М-ТИПА

Специальность 05.27.02 -Вакуумная и плазменная электроника

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

О Г

Москва - 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение...................................................................................................... 5

1. Разновидности приборов М-типа и объекты исследований..................................... 5

2. Общая характеристика работы.......................................................................... 6

Глава 1. Анализ стационарных режимов генерации магнетронов на основе

использования электронной проводимости................................................ 16

Аннотация первой главы........................................................................ 16

1.1. Особенности аналитического метода и основные допущения................................ 16

1.2. Модель, использующая электронную проводимость.......................................... 18

1.3. Ток, наведенный электронными спицами........................................................22

1.4. Напряженности электрических полей.............................................................26

1.4.1. Высокочастотное поле........................................................................... 26

1.4.2. Постоянное поле.................................................................................... 28

1.5. Синхронное и минимальное значения анодного напряжения................................29

1.6. Распределение напряженности постоянного электрического поля в

пространстве взаимодействия.......................................................................33

1.7. Границы электронной спицы........................................................................35

1.8. Пространственный заряд и вторичная эмиссия..................................................45

1.9. Амплитудные характеристики электронных проводимостей................................ 51

Обобщение теоретических положений.......................................................... 61

Глава 2. Анализ рабочих характеристик магнетронов...............................................64

Аннотация второй главы......................................................................64

2.1. Зона генерации магнетрона и электронный гистерезис.......................................65

2.2. Исследования характеристик классических магнетронов.....................................70

2.2.1. Особенности типичных рабочих характеристик магнетронов.............................70

2.2.2. Результаты расчетов характеристик магнетронов по основной программе............72

2.2.3. Влияние исходного значения максимального коэффициента вторичной

эмиссии на расчетные характеристики магнетрона.........................................83

2.3. Сравнительный анализ различных методов расчета характеристик магнетронов......86

2.3.1. Особенности рассматриваемых методов........................................................86

2.3.2. Анализ приближенных методов.................................................................. 86

2.3.3. Анализ строгих методов........................................................................ 101

2.3.4. Обсуждение полученных результатов....................................................... 105

2.4. Анализ характеристик коаксиальных магнетронов и митронов;

их особенности в сравнении с классическими магнетронами.............................. 106

2.4.1. Коаксиальный магнетрон..........................................................................106

2.4.2. Обращенно-коаксиальный магнетрон..........................................................111

2.4.3. Митрон (магнетрон, настраиваемый напряжением)......................................... 115

Обобщение результатов исследований рабочих характеристик магнетронов

различных типов..................................................................................... 119

Глава 3. Анализ нагрузочных характеристик магнетронов и условий их

эксплуатации..................................................................................... 123

Аннотация третьей главы........................... ........................................ 123

3.1. Особенности типичных нагрузочных характеристик классических магнетронов....... 124

3.2. Результаты расчетов нагрузочных характеристик и исследования влияний на

них электрических и электродинамических параметров магнетронов..................... 128

3.2.1. Основные аналитические соотношения, использованные для получения нагрузочных характеристик....................................................................... 128

3.2.2. Результаты расчетов нагрузочных характеристик с учетом эффекта

длинной линии.......................................................................................129

3.2.3. Расчеты нагрузочных характеристик с учетом отражения сигнала от

магнетрона............................................................................................ 134

3.3. Исследования условий эксплуатации магнетронов бытового назначения................ 138

3.3.1. Экспериментальные исследования работы магнетрона на рассогласованную нагрузку............................................................................................. 138

3.3.2. Исследования входных проводимостей рабочих камер СВЧ печей.................. 141

3.3.3. Электродинамические характеристики СВЧ-модуля осветительной установки

с газоразрядной серной лампой................................................................. 149

Обобщение результатов исследований нагрузочных характеристик

магнетронов......................................................................................... 156

Глава 4. Анализ режимов усиления в приборах магнетронного типа........................ 158

Аннотация четвертой главы................................................................158

4.1. Анализ магнетронных регенеративных усилителей и синхронизированных генераторов при использовании электронной проводимости............................... 159

4.1.1. Характерные режимы двухполюсных и четырехполюсных усилителей................ 159

4.1.2. Характеристики и параметры резонансных магнетронных усилителей................. 161

4.2. Исследования двухполюсных регенеративных усилителей и синхронизированных генераторов............................................................................................. 167

4.2.1. Анализ амплитудно-частотных характеристик................................................ 167

4.2.2. Экспериментальные исследования характеристик электронных проводимостей.... 172

4.2.2.1. Исследования начального участка амплитудной характеристики электронной проводимости и электронного гистерезиса в маломощном магнетроне непрерывного генерирования............................................................... 172

4.2.2.2. Исследования амплитудных и частотных характеристик электронных проводимостей в магнетроне с регулируемой внешней добротностью...............175

4.3. Анализ и экспериментальные исследования балансного регенеративного усилителя

с двумя магнетронами................................................................................ 186

4.3.1. Особенности балансных схем РУ и основные расчетные формулы......................186

4.3.2. Влияние неидентичности усилителей..........................................................190

4.3.3. Влияние неидеальности щелевого моста...................................................... 190

4.3.3.1. Щелевой мост с идеальной направленностью, но неравным делением

мощности...........................................................................................190

4.3.3.2. Щелевой мост ограниченной направленности............................................. 191

4.3.4. Влияние нагрузки................................................................................... 193

4.3.5. Результаты экспериментальных исследований балансного усилителя.................. 194

4.4. Исследования магнетрона, настраиваемого напряжением (митрона), в режиме синхронизации на частоте субгармоники...................................................... 196

4.5. О возможностях преодоления противоречий между коэффициентом усиления,

рабочей полосой частот и КПД усилителей магнетронного типа......................... 200

Результаты анализа магнетронных усилителей различных типов.......................203

Глава 5. Электродинамические исследования функциональных узлов приборов

М-типа............................................................................................207

Аннотация пятой главы......................................................................207

5.1. Выводы и вводы энергии........................................ ..................................207

5.1.1. Выводы и вводы энергии магнетронных генераторов и усилителей, обеспечивающие высокую степень связи резонаторной системы с нагрузкой.........207

5.1.2. Азимутально-симметричный вывод энергии паукообразного типа......................21.1

5.1.3. Согласующие устройства........................................................................ 215

5.2. Замедляющие системы спирального типа........................................................217

5.3. Фильтрация «паразитных» колебаний в приборах М-типа с резонансными и нерезонансными системами........................................................................228

5.3.1. Фильтры нежелательных гармонических составляющих..................................228

5.3.2. Фильтры внеполосных колебаний, основанные на использовании связанных замедляющих систем...............................................................................230

5.4. Вопросы измерений параметров и характеристик резонаторных и замедляющих систем...................................................................................................236

5.4.1. Методы измерений коэффициента трансформации нагруженной резонаторной системы и ее характеристической проводимости...........................................236

5.4.2. Метод перестраиваемого резонатора для измерений дисперсионных характеристик замедляющих систем.............................................................................. 242

Некоторые рекомендации по усовершенствованию конструкций и методов измерений

параметров функциональных узлов магнетронных генераторов и усилителей.............246

Заключение.............................................................................................. 248

Литература............................................................................................. 251

Приложение............................................................................................. 260

ВВЕДЕНИЕ

1. Разновидности приборов М-типа и объекты исследований

Сверхвысокочастотные приборы М-типа, в первую очередь, магнетроны используются в радиолокации, средствах связи, осветительных устройствах, медицине, сельском хозяйстве, промышленном и бытовом нагреве, а также в научных исследованиях и других областях человеческой деятельности.

Диссертационная работа посвящена вопросам электроники и электродинамики генераторов и усилителей М-типа с высокодобротными, низкодобротными и нерезонансными системами. Особое внимание уделено анализу стационарных режимов генерации и усиления, выбору оптимальных электрических режимов, высокочастотных нагрузок и определению конструктивных вариантов, обеспечивающих наилучшие параметры приборов М-типа.

Магнетроны в настоящее время уже относят к классическим приборам СВЧ. Развитие магнетронов привело к созданию разнообразных конструктивных вариантов таких приборов, как магнетроны, настраиваемые напряжением (митроны), коаксиальные, обращенные и волно-водно-усилительные магнетроны, усилители и генераторы с замкнутым электронным потоком и разомкнутой электродинамической системой - платинотроны (ультроны, амплитроны и кар-матроны), усилители прямой волны с разомкнутым потоком - дематроны, лампы бегущей и обратной волны М-типа (биматроны и битермитроны), гибридные приборы (бидематроны), регенеративные усилители (цирклотроны) и синхронизированные генераторы (карпитроны), каскадные усилители со ступенчатым изменением высоты пространства взаимодействия, импульсные усилители с гасящим электродом в режиме безмодуляторного питания и т.д.

Историю открытия магнетронного принципа возбуждения СВЧ колебаний обычно связывают с работой Хэлла [1], опубликованной в 1921 г. В СССР первые работы по исследованию магнетронов проводились в Харьковском университете с 1924 г. [2], в результате которых в 1926 г. появилась публикация Слуцкина A.A. и Штейнберга Д.С. [3] о магнетронах с разрезным анодом, обеспечивающих генерацию сантиметровых волн. Идея многоконтурного генератора -прототипа многорезонаторного магнетрона принадлежит Бонч-Бруевичу М. А. [4]. Под его руководством ленинградские инженеры Алексеев Н.Ф. и Маляров И. Д. в предвоенные годы разработали конструкцию многорезонаторного магнетрона [5], положившую начало бурному

развитию магнетронов в фирмах наших союзников. Во время Второй мировой войны американские и европейские ученые разработали множество типов магнетронных генераторов различных диапазонов волн и уровней мощности, а также заложили основы теории магнетронов [6-9]. После войны и до настоящего времени продолжается совершенствование конструкций, методов анализа и машинного проектирования приборов М-типа [10-100].

Среди разновидностей приборов М-типа наибольший интерес представляют коаксиальные магнетроны, обладающие более высокой стабильностью частоты, чем классические магнетроны; обращенные коаксиальные магнетроны, удобные для использования в миллиметровом диапазоне длин волн; митроны, обеспечивающие электрическую перестройку частоты в пределах октавы; усилители обратной волны - амплитроны, имеющие наиболее высокий КПД, и усилители прямой волны с пространством дрейфа, превосходящие амплитроны по коэффициенту усиления и широкополосности, но уступающие им по КПД.

Объектами исследований в настоящей работе являлись классические магнетроны с высокодобротными многорезонаторными системами, коаксиальные и обращенные магнетроны со сверхвысокодобротными системами, митроны с низкодобротными системами и усилители М-типа с нерезонансными замедляющими системами [101-200].

В работе анализируются стационарные режимы генерации, регенеративного усиления и синхронизированной генерации (в том числе на частоте субгармоники) в приборах, создаваемых на основе магнетронов и митронов. Кроме того, в работе исследованы возможности усовершенствования электродинамических систем генераторов и усилителей М-типа.

2. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Среди всех электронных приборов СВЧ наиболее широкое применение в настоящее время находят многорезонаторные магнетроны. Только для бытовых микроволновых печей мировой выпуск магнетронов составляет 15 млн приборов в год. В перспективе намечается использование высокоэффективных приборов М-типа в энергетике грядущего столетия и вполне вероятно, что они займут доминирующее положение среди сверхмощных приборов, работающих в дециметровом, сантиметровом и даже миллиметровом диапазонах длин волн. Достоинства приборов М-типа и области их применений основательно рассмотрены как в зарубежной, так и в отечественной литературе, в том числе и в работах автора.

Простота эксплуатации, высокая надежность и экономичность, благодаря относительно

низкой себестоимости и непревзойденному КПД приборов М-типа, оказывает существенное влияние на развитие современных технологических процессов в различных областях промышленного нагрева. Весьма благоприятное сочетание массогабаритных и энергетических показателей приборов М-типа привлекает к ним внимание разработчиков не только сверхмощных промышленных установок, но и разработчиков светотехнической, медицинской и бытовой СВЧ аппаратуры невысокой мощности. А это, в свою очередь, оказывает влияние на создание комфортных условий труда, развитие способов лечения и улучшение условий питания людей, определяя благосостояние общества. Этим обстоятельством подтверждается актуальность работ, способствующих прямо или косвенно улучшению здоровья Человека и стимулирующих его творческую активность.

Однако физические процессы электронных взаимодействий с электромагнитными полями в приборах магнетронного типа чрезвычайно сложны и недостаточно изучены. Отсутствие удовлетворительных методов расчета рабочих и нагрузочных характеристик приборов М-типа, в том числе и классических магнетронов, вынуждает разработчиков этих приборов изготавливать различные варианты опытных образцов и проводить натурные испытания. Создание достоверных методов расчета и быстродействующих программ в сочетании с конкретными рекомендациями по усовершенствованию функциональных узлов генераторов и усилителей, которым посвящена диссертационная работа, позволяет уменьшить материальные и трудовые затраты, а также сократить время разработок новых приборов М-типа.

Задачи, поставленные в диссертационной работе, непосредственно связаны с проблемами, охватываемыми Федеральной Программой развития национальной технологической базы 1988-2000 гг, в частности, с разделами, относящимися к сферам энергосбережения, экологии, электромагнитной совместимости и др.

Цели работы.

1. Создание простой теории магнетрона, достаточно корректной и удобной для инженерного использования и оперативного принятия оптимальных решений при разработках приборов магнетронного типа.

2. Проведение анализа стационарных режимов генерации и усиления в магнетронах различных модификаций на основе созданной теории, разработанной методики расчета и экспериментальных исследований для выявления и объяснения основных закономерностей рабочих, нагрузочных и амплитудно-частотных характеристик приборов с резонансными системами.

3. Усовершенствование функциональных узлов приборов М-типа и в первую очередь электродинамических систем, обеспечивающих эффективное взаимодействие электромагнит-

ных полей с электронами, а также элементов связи резонансных и нерезонансных систем с линиями передачи для улучшения параметров генераторов и усилителей.

Для достижения этих целей ставились следующие задачи.

1. Уточнение модели электронных сгустков и вывод формул, обеспечивающих быстрые и достоверные расчеты амплитудных характеристик электронных проводимостей магнетронов.

2. Получение