автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Усовершенствование элементов электродинамической системы усилителей магнетронного типа

На правах рукописи

005055055

КАЧАЕВ Халид Дарвинович

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ МАГНЕТРОННОГО ТИПА

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 НОЯ 2012

Саратов 2012

005055055

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и в ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Фурсаев Михаил Александрович

Официальные оппоненты: Царев Владислав Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры «Электронные приборы и устройства»

Неганов Валерий Алексеевич, кандидат физико-математических наук, ЗАО «НПЦ «Алмаз - Фазатрон», г. Саратов, начальник лаборатории

Ведущая организация: ОАО «НПП «Контакт», г. Саратов

Защита состоится 28 ноября 2012 г. в (SOD часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая 77, СГТУ, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан « JC» октября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Димитрюк А. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электронные СВЧ приборы М-типа с катодом в пространстве взаимодействия или приборы магнетронного типа продолжают находить применение в современной радиоэлектронной технике. К их числу, кроме магнетрона, относятся усилитель обратной волны, получивший наименование амплитрона, и усилитель прямой волны (УПВМ). Эти усилители характеризуются высоким КПД, низкими требованиями к источникам питающих напряжений, малыми массой и габаритами. Большой вклад в создание отечественных магнетронных усилителей внесли Чигиринский П.Я., Зиангиров Т.В., Хлебников И.Н., Индык В.И., Фурсаев М.А., Еремин В.П., Каржавин И.Н., Хворов М.И., Марьин В.П. Капитонов В.А., Петроченков В.И. и др.

В связи с развитием техники постоянно повышаются требования к эксплуатационным показателям магнетронных усилителей, в том числе увеличению коэффициента усиления и рабочей области анодных токов, ограничение которых обусловлено возбуждением нерабочих видов колебаний. Улучшение этих показателей достигается как выбором параметров пространства взаимодействия приборов, так и при отработке их электродинамических систем.

Определение параметров пространства взаимодействия магнетронных усилителей проводится с использованием математических моделей этих приборов (Байбурин В.Б., Ширшин С.И., Rodney J., Vaughan М., Dombrowski G. и др.). В настоящее время созданы модели, позволяющие учитывать особенности их работы в многочастотном режиме, в том числе при возбуждении нерабочих видов колебаний (Терентьев A.A., Ильин Е.М., Шеин А.Г., Чурюмов Г.И.). Однако учет нерабочих видов колебаний предполагает знание физики образования цепей положительной обратной связи, приводящих к возбуждению этих видов, что предполагает проведение соответствующих экспериментальных исследований.

В уравнения математических моделей магнетронных усилителей входят параметры замедляющих систем, имеющих весьма сложную структуру. Поэтому для определения связи значений параметров замедляющей системы с ее геометрическими параметрами используется метод эквивалентных схем.

Наиболее применяемыми в магнетронных усилителях являются различные модификации резонаторной системы с двойными связками в ам-плитронах, а также замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками в УПВМ. Модификации резонаторных систем с двойными связками весьма полно изучены. Работы по исследованию системы меандр с дроссельными поддержками также известны (Силин P.A., Froom, Pearson). Однако ряд модификаций этой системы, применяемых в конструкциях приборов, остаются не рассмотренными. Кроме того, остаются не рассмот-

ренными вопросы обоснования конструктивных решений, обеспечивающих согласование замедляющих систем с выводами энергии. Между тем оно является важным условием получения качественной работы усилителя, в том числе получения высокого значения коэффициента усиления, достижение которого ограничено из-за возбуждения нерабочих видов колебаний.

В качестве усилителей миллиметрового диапазона длин волн нашли применение магнетроны, работающие в режиме синхронизации входным сигналом. В связи с этим должны решаться вопросы оценки полосовых свойств вакуумного уплотнения вывода энергии, которое с учетом специфики миллиметрового диапазона должно иметь простую и технологичную конструкцию.

Таким образом, в связи с необходимостью решения задач по повышению электрических параметров магнетронных усилителей, а также усовершенствования конструкции и технологии весьма актуальным является направление по дальнейшему развитию представлений относительно элементов электродинамических систем этих приборов. Этим определяется актуальность задач, решаемых в настоящей диссертационной работе.

Целью диссертационной работы является:

- развитие методик расчета характеристик элементов электродинамических систем, с использованием которых решаются вопросы увеличения коэффициента усиления УПВМ и усовершенствования конструкции и технологи магнетронов миллиметрового диапазона с учетом их применения в усилительном режиме;

- исследование условий возбуждения нерабочих видов колебаний в УПВМ, сопутствующих усилению, что препятствует получению высоких значений коэффициента усиления.

Задачи исследования.

1. Анализ результатов динамических испытаний УПВМ с целью определения природы возбуждения нерабочих видов колебаний, ограничивающих достижение высоких значений коэффициента усиления.

2. Выбор направления исследований по снижению уровня нерабочих видов колебаний в УПВМ.

3. Усовершенствование эквивалентных схем замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками с целью обеспечения расчета и анализа электродинамических характеристик ее модификаций, применяемых в конструкциях УПВМ.

4. Развитие методик расчета параметров и характеристик модификаций замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, применяемых в конструкциях УПВМ, и проведение исследований таких систем.

5. Развитие методики моделирования ячеек замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками УПВМ, обеспечивающих согласование регулярной части этой системы с внешним ВЧ трактом.

6. Развитие методики оценки полосовых свойств керамического вакуумного уплотнения вывода энергии магнетронов миллиметрового диапазона.

7. Экспериментальная проверка результатов расчета.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Определены причины отличий в условиях самовозбуждения нерабочих видов колебаний, обусловленных дефектами электродинамической системы, и состава их в спектре выходного сигнала УПВМ и амплитрона.

2. Показана возможность прогнозирования уровня возбуждения нерабочих видов колебаний в УПВМ, сопутствующих усилению, по результатам его испытаний в отсутствии входного сигнала.

3. Предложено построение эквивалентных схем замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками в виде совокупности отрезков полосковых линий, использование которых обеспечивает анализ и расчет модификаций такой системы, применяемых в конструкциях УПВМ.

4. Выявлена аналогия функций отдельных участков резонаторной системы с двойными связками, используемой в амплитроне, и замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, применяемой в УПВМ, определяющих электродинамические характеристики этих систем.

5. Развита методика моделирования крайних участков замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, выполняющих функцию трансформатора сопротивлений и обеспечивающих в УПВМ согласование регулярной части этой системы с внешним ВЧ трактом.

6. Развита методика расчета частотной зависимости коэффициента отражения керамического вакуумного уплотнения магнетронов миллиметрового диапазона, выполненного в виде плоской пластины, учитывающая активные потери в керамике.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновываются применением методов моделирования и расчетов, апробированных в современной технике СВЧ, соответствием применяемого математического аппарата классу задач, решаемых теорией электрических цепей, соответствием результатов расчета экспериментальным данным, полученным с использованием аттестованной измерительной аппаратуры.

На защиту выносятся следующие положения и результаты.

1. Поскольку в УПВМ используется замедляющая система с нормальной дисперсией, а число ячеек в анодном блоке велико, то наличие дефектов в электродинамической системе приводит к появлению в спектре выходного сигнала наряду с рабочей частотой целого ряда частот нерабочих видов колебаний.

2. Представление эквивалентных схем замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками в виде совокупности отрезков полосковых линий, обеспечивающее анализ и расчет характеристик модификаций этой системы, применяемых в конструкциях УПВМ.

3. Методика моделирования крайних участков замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, выполняющих функцию трансформаторов сопротивлений, на базе их эквивалентного представления в виде совокупности отрезков полосковых линий для решения вопросов согласования выводов энергии УПВМ.

4. Методика расчета частотной зависимости коэффициента отражения керамического уплотнения вывода энергии магнетронов миллиметрового диапазона, выполненного в виде плоской пластины в волноводе, учитывающая активные потери в керамике.

Теоретическую значимость имеет обоснование целесообразности использования при анализе электродинамических характеристик замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками эквивалентных схем, представляющих собой совокупность отрезков полосковых линий.

Практическую значимость имеют разработанные методики расчета параметров и характеристик конструктивных элементов электродинамических систем УПВМ и магнетронов миллиметрового диапазона, которые могут быть использованы при проектировании этих приборов СВЧ.

Личный вклад диссертанта:

- проведение теоретических и экспериментальных исследований;

- отработка методик испытаний, необходимых для проведения экспериментальных исследований;

- обработка, анализ и обобщение полученных результатов.

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения (Саратов, 2010, 2012, Новосибирск, 2012) и ММТТ-24 (Саратов, 2011). По материалам диссертации опубликовано 12 работ, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель, научная новизна, а также положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены принципы работы магнетронных усилителен в пространстве взаимодействия, нашедших широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре - амплитрона, усилителя обратной волны и усилителя прямой волны М-типа (УПВМ). Обсуждены особенности их электрических характеристик. Поскольку эти усилители работают в режиме насыщения, увеличение коэффициента усиления в этих приборах достигается при уменьшении величины входной мощности. Особо отмечается возможность работы УПВМ в диапазоне усиливаемых частот при неизменной величие анодного напряжения.

Проведен анализ конструктивных особенностей электродинамических систем магнетронных усилителей. В том числе рассмотрены виды замедляющих систем, используемых в этих приборах, которыми являются резонаторная система с двойными связками в амплитроне и меандр с дроссельными поддержками в УПВМ. Из-за сложности структуры этих замедляющих систем их моделирование проводится на базе эквивалентных схем. В частности, меандр представляется в виде отрезка многопроводной линии с заданными условиями на границах ее проводников. Отмечается, что при использовании этого представления усложняется моделирование применяемых в конструкциях УПВМ модификаций замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками. Определена необходимость продолжения работ по моделированию таких систем.

Вторая глава посвящена вопросу возбуждения в УПВМ нерабочих видов колебаний, что препятствует получению высоких значений коэффициента усиления. При их возбуждении наблюдается «размытие полочки» видеоимпульса выходного сигнала, как показано на рис. 1, которое происходит, когда уменьшается уровень входной мощности.

а б

Рис.1. Осциллограммы огибающей видеоимпульса сигнала на выходе УПВМ: а - при отсутствии в спектре сигнала частот нерабочих видов колебаний; б - при их наличии в этом спектре

Величина входной мощности, при которой происходит возбуждение нерабочих видов колебаний, увеличивается при увеличении уровня КСВн на частотной зависимости этого параметра, снятого со стороны входа прибора при согласованной нагрузке на выходе (снятого «напроход»), в рабочем диапазоне и вблизи него.

КСВн

......... ..........:.......... .......... л \

\

У, " / /

11.8 0.55 0.9 <1.45 I 1.05 1.1 1.15 1.1 1.25

(I ( 1 I » 1(1

Рис.2. Частотная зависимость КСВн УПВМ

Проведенные испытания выявили специфику спектра сигнала на выходе УПВМ, заключающуюся в том, что при «размытии полочки» видеоимпульса этого сигнала в составе его спектра, кроме частоты входного сигнала, присутствует целый ряд частот нерабочих видов колебаний. Их частоты располагаются в полосе шириной до 15%, внутри которой находится частота входного сигнала. На рис. 2 приведена частотная зависимость КСВн УПВМ, снятого «напроход», где стрелками указаны частоты нерабочих видов колебаний, зафиксированные в спектре выходного сигнала.

Видно, что некоторые частоты нерабочих видов колебаний совпадают с частотами, соответствующими частотам минимумов на кривой зависимости рис. 2. Данный факт позволяет заключить, что на этих частотах причиной возбуждения нерабочих видов колебаний является рассогласование концов замедляющей системы. Действительно, при рассогласованных концах замедляющая система представляет собой проходной резонатор, на резонансных частотах электрическая длина системы пропорциональна 180 , что соответствует минимальным значениям КСВн на кривой зависимости этого параметра, снятого «напроход». Наличие других частот нерабочих видов колебаний в спектре выходного сигнала можно объяснить либо амплитудной модуляцией между частотой входного сигнала и частотами видов, возбуждение которых обусловлено рассогласованием концов замедляющей системы, либо наличием в ней неоднородностей, обусловленных разбросом геометрических параметров ее отдельных ячеек.

Наличие в спектре выходного сигнала УПВМ целого ряда частот нерабочих видов колебаний в режиме усиления объясняется использованием в этом приборе замедляющей системы с нормальной дисперсией, а также большим числом ячеек в анодном блоке, в результате чего сокращается разделение резонансных частот проходного резонатора, образующегося при рассогласовании концов замедляющей системы. В данных условиях, как показывают расчеты с использованием уравнения Хартри, усиление входного сигнала и возбуждение нерабочих видов колебаний происходит практически при одной и той же величине анодного напряжения, а также большим числом ячеек в анодном блоке прибора. Это обстоятельство существенно затрудняет борьбу с возбуждением нерабочих видов колебаний в УПВМ.

Частоты нерабочих видов колебаний присутствуют в спектре выходного сигнала и при прекращении подачи входной мощности. По уровню выходной мощности этих видов в отсутствии входного сигнала можно прогнозировать максимальную величину анодного тока, при котором их частоты наблюдаются в спектре выходного сигнала при подаче входной мощности.

Подавление возбуждения нерабочих видов колебаний в УПВМ при подаче входного сигнала и увеличении его мощности свидетельствует о наличии конкуренции между рабочим видом колебаний и нерабочими ви-

дами. Конкурентоспособность нерабочих видов колебаний увеличивается при увеличении параметра, характеризующего эту способность, каким является добротность «колебательного контура», которым обусловлено возбуждение нерабочего вида. В частности, добротность контура, обусловленного рассогласованием концов замедляющей системы, определяется соотношением

а© У!г1Дг2|е 2а°' <2-= лм-р«г _2а ,, (1)

<" рез 1 —|г1|[г:2[е о

где М - число ячеек замедляющей системы в анодном блоке, (рс1 - частота, соответствующая минимуму КСВн на кривой его частотной зависимости, ©-фазовый сдвиг на ячейку замедляющей системы, П и Г2 - модули коэффициента отражения от концов рассогласованной замедляющей системы, а01 - величина затухания ВЧ волны в замедляющей системе. Как видно, добротность такого контура увеличивается при увеличении рассогласования концов замедляющей системы. Следовательно, согласование системы с выводами энергии является условием уменьшения уровня нерабочих видов колебаний в УПВМ.

Обсуждена возможность уменьшения конкурентной способности нерабочих видов колебаний за счет соответствующего изменения параметров пространства взаимодействия и замедляющей системы, а также параметров электрического режима УПВМ (например, при уменьшении высоты пространства взаимодействия, уменьшения волнового сопротивления замедляющей систем, уменьшения магнитной индукции). Однако использование такого направления ограничено тем, что при этом происходит снижение значений ряда электрических параметров прибора.

В третьей главе рассматривается методика расчета электрических характеристик замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, при которой эта система представляется набором отрезков полосковой линии. Данный подход упрощает расчет модификации этой системы, которые применяются в конструкциях УПВМ.

На первом этапе анализируется система с накладками на стержнях, в которой дроссели формируются перемычками, припаянными к двум соседним стержням в шахматном порядке, как показано на рис. 3. Эквивалентная схема периода такой системы показана на рис. 4. Она представляет собой каскадное соединение семи четырехполюсников. Четырехполюсники 1 и 7 соответствуют отрезкам линии с поперечным сечением, показанным на рис. 5а, длина которого равна половине длины накладки (участок 1 рис. 3). Четырехполюсники 2 и 6 соответствуют отрезкам линии с поперечным сечением, показанным на рис. 5 б, длина которых равна длине стержня между накладкой и перемычкой (участок 2 рис. 3).

Рнс.З. Замедляющая система меандр с дроссельными поддержками и накладками на стержнях

Четырехполюсник 4 соответствует отрезку линии с поперечным сечением, показанным на рис. 5в, длина которого равна длине перемычки. В состав четырехполюсников 3 и 5 входят двухполюсники, соответствующие дросселю, выполненному на отрезке линии с поперечным сечением, показанным на рис.5г, закороченного на конце (участок 4 на рис. 3). Длина отрезка этой линии равна длине стержня от перегородки до боковой стенки желоба.

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 4. Эквивалентная схема периода замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками и накладками на стержнях

X

■ООО

т

а

о

г

Рис.5. Поперечные сечения линий в составе замедляющей системы

Величины фазового сдвига на ячейку замедляющей системы 0 и ее волнового сопротивления определяются как

СО5 0 = АП) (2)

Zr =

—12

(3)

где_А)Ь А12 и Aii - элементы матрицы передачи четырехполюсника (рис.4), которая, в свою очередь, является произведением матриц передач последовательно включенных четырехполюсников.

Матрицы передачи четырехполюсников схемы рис. 3, кроме третьего и пятого, имеют вид

|Ач| =

COS 0к 1

jZksin 0к sin 0к COS 0к

(4)

где 0к - электрическая длина соответствующей линии, 7к - волновое сопротивление этой линии. Матрица передачи третьего и пятого четырехполюсников имеет вид

|Аз| = |А5| =

1 О

^др

где

Y =

л чр

-j4-ctg0aP

■¿з

(5)

(6)

- входная проводимость отрезка линии, которой выполнен дроссель, закороченного на конце. В соотношении (6) 0др - электрическая длина этого отрезка, 2др - волновое сопротивление этой линии.

Рассмотрен второй вариант эквивалентного представления дроссельного участка меандровой замедляющей системы, когда дроссель выполняется в виде пластины, один конец которой замыкается на боковую стенку желоба, а другой конец соединяется с двумя соседними стержнями. Такое представление не только позволяет рассчитывать параметры замедляющей системы, в которой дроссель выполнен таким образом, но и упрощает эквивалентную схему периода замедляющей системы.

Проведено сравнение результатов расчета частотных зависимостей величин фазового сдвига на ячейку замедляющей системы и волнового сопротивления с данными «холодных» измерений двух модификаций системы с различным выполнением ее дроссельного участка. Из сравнения следует возможность применения развиваемого подхода к расчету модификаций замеляющих систем, используемых в конструкциях УПВМ. Это подтверждается данными, приведенными на рис. 6 и полученными для модификации, в которой дроссель выполнен в виде пластины.

160 120

80

40 0

Рис.6. Расчетные и измеренные (пунктир) зависимости величин фазового сдвига на ячейку замедляющей системы (а) и ее волнового сопротивления (б) от длины волны

В простейшей модификации замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками на стержнях отсутствуют накладки, дроссель-ная часть системы выполнена в виде пластины. Для такой модификации эквивалентная схема периода замедляющей системы представляется последовательным соединением трех четырехполюсников, как показано на рис.7. Крайние четырехполюсники отражают отрезки линии, соответствующие половине длины стержня меандра, а средний четырехполюсник - дроссель.

О,50Г1, Ъ„ Уд, 0,5©С1, г,,

Рис. 7. Эквивалентная схема простейшей модификации замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками

Нетрудно видеть, что аналогичная эквивалентная схема используется при расчете характеристик резонаторной системы с двойными связками, которая используется в магнетронах и амплитронах.

Показано, что эквивалентное представление замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками в виде совокупности отрезков по-лосковой линии весьма эффективно при моделировании трансформирующих свойств ячеек, обеспечивающих согласование этой системы с выводами энергии УПВМ. Разработана методика такого моделирования.

В качестве примера рассмотрен вариант трансформирующих ячеек, схема которых приведена на рис. 8. Полагается, что в системе отсутствуют накладки, а трансформирующие свойства ячеек осуществляются изменением длины шлейфа дросселя Ьдр.На рис. 9 приведена эквивалентная схема трансформирующих ячеек, где буквенные и цифровые обозначения элементов соответствуют обозначениям тех же элементов на рис. 8. 12

вход

Рис.8. Схема трансформирующих ячеек замедляющей системы

Рис.9. Эквивалентная схема трансформирующих ячеек замедляющей системы

Рис.Ю. Частотные зависимости активной (а) и реактивной (б) компонент сопротивления на входе трансформирующих ячеек замедляющей системы

На рис.10 приведены данные расчета частотных зависимостей компонент входного сопротивления трансформирующих ячеек для трех значений длины шлейфа дросселя. Частотная зависимость волнового сопротивления замедляющей системы, являющейся нагрузкой ячеек, приведена на рис.11. Зависимости 2 и 3 на рис.10 получены для величин длины шлейфа, увеличенной и уменьшенной на 10% относительно длины шлейфа, для которого зависимости обозначены цифрой 1. Как видно, трансформирующие свойства согласующих ячеек изменяются при изменении длины шлейфа Ьдр. Так, при изменении его длины изменяется не только угол наклона частотной зависимости активной компоненты сопротивления на их входе, но и знак тангенса угла наклона этой зависимости. Также изменяется характер реактивности входного сопротивления.

Рис.11. Частотная зависимость волнового сопротивления замедляющей системы

Четвертая глава посвящена разработке методики оценки полосовых свойств вакуумного уплотнения вывода энергии электронных приборов миллиметрового диапазона, выполненного в виде плоской керамической перегородки на регулярном волноводе. При использовании керамической перегородки вместо ранее применяемой слюдяной повышает технологичность прибора, в частности упрощает процесс его сборки и обеспечивает обезгаживание при откачке при более высокой температуре.

В миллиметровом диапазоне участок волновода с керамической перегородкой замещается отрезком передающей линии, значения параметров которой зависят от величины диэлектрической проницаемости керамики. Это положено в основу эквивалентной схемы, на базе которой получено соотношение для расчета КСВн керамического вакуумного уплотнения.

На рис.12 приведены результаты расчета и данные «холодных» измерений зависимости КСВн уплотнения от длины волны. Расчет проведен для вакуумного уплотнения, выполненного в виде диска их керамики ВК94-1 толщиной 0,72 мм в круглом волноводе диаметром 3,2 мм, как при 14

учете активных потерь в керамике, так при пренебрежении ими. Из приведенных данных видна необходимость учета активных потерь в керамике при расчете параметров керамических вакуумных уплотнений выводов энергии приборов миллиметрового диапазона.

Рис.12. Зависимости КСВн керамического вакуумного уплотнения от длины волны: 1 - экспериментальные данные, 2 - данные расчета с учетом наличия активных потерь в керамике, 3 - данные расчета без учета этих потерь

Как показал анализ, уменьшение толщины керамики и уменьшение ее диэлектрической проницаемости смещает рабочий диапазон в сторону высоких частот, а ширина этой полосы частот уменьшается при увеличении толщины керамики и уменьшении ее диэлектрической проницаемости. С использованием рассмотренной методики также определяется частота, выше которой ограничено применение плоской керамики в выводе энергии, что связано с увеличением вероятности натекания при уменьшении толщины керамики. Граничная частота уменьшается при применении керамики с меньшей величиной диэлектрической проницаемости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ результатов динамических испытаний УПВМ в режимах с пониженным уровнем входной мощности, когда наблюдается возбуждение нерабочих видов колебаний, сопутствующих усилению входного сигнала. Такой анализ необходим для получения представлений о причинах возбуждения этих колебаний, поскольку их возбуждение является фактором, ограничивающим увеличение коэффициента усиления УПВМ.

Выявлено, что при уменьшении входной мощности в спектре выходного сигнала наряду с частотой входного сигнала наблюдается целый ряд частот нерабочих видов. Такой состав спектра объясняется тем, что при

использовании в УПВМ замедляющей системы с нормальной дисперсией и большом числе ячеек в его анодном блоке электродинамическая система прибора имеет дефекты. Основным дефектом является рассогласование замедляющей системы с выводами энергии, в результате чего формируется проходной резонатор.

Таким образом, использование в УПВМ замедляющей системы с нормальной дисперсией, с одной стороны, обеспечивает его работу в диапазоне частот при неизменной величине анодного напряжения, а с другой -способствует возбуждению нерабочих видов колебаний, сопутствующих усилению входного сигнала. Это затрудняет борьбу с возбуждением нерабочих видов колебаний в УПВМ.

2. Обсуждены вопросы конкуренции рабочего вида колебаний в УПВМ и нерабочих видов. Обращено внимание, что некоторые частоты нерабочих видов в спектре выходного сигнала совпадают с частотами, соответствующим минимальным значениям КСВн на кривой частотной зависимости этого параметра, снятого со стороны входа прибора при согласованной нагрузке на его выходе. Эти частоты являются резонансными для проходного резонатора, которым становится замедляющая система при рассогласованных выводах энергии.

Конкурентоспособность нерабочего вида колебаний, обусловленного рассогласованием замедляющей системы, определяется добротностью образующегося при этом проходного резонатора, величина которого зависит от уровня КСВн на кривой его частотной зависимости. Конкурентоспособность этого вида снижается при уменьшении уровня КСВн. Возможность снижения его конкурентоспособности за счет соответствующего выбора параметров электрического режима работы прибора, пространства взаимодействия и замедляющей системы ограничена. Поэтому делается вывод, что наиболее рациональным путем снижения уровня нерабочих видов колебаний в УПВМ является согласование замедляющей системы с выводами энергии.

3. Предложена и реализована методика моделирования замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, основанная на предположении, что система состоит из набора отрезков полоской линии, по которой распространяется ТЕМ-волна. Отрезки таких линий отличаются поперечными сечениями. При таком предложении эквивалентная схема периода замедляющей системы представляется рядом последовательно включенных четырехполюсников, что позволяет получить соотношения для расчета дисперсионной характеристики и волнового сопротивления.

Предложенная методика упрощает расчет модификаций замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, которые используются в конструкциях УПВМ, в том числе когда стержни меандра снабжены накладками.

4. Рассмотрены две модификации замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками: при выполнении дроссельной части системы

двумя соседними стержнями, соединенными перемычкой и пластиной, к одному из концов которой подходят два стержня меандра.

Для этих модификаций замедляющей системы проведено сравнение расчетных зависимостей величин фазового сдвига на ячейку системы и ее волнового сопротивления от частоты с данными «холодных» измерений. Из сравнения следует возможность использования предложенной методики при расчете модификаций замедляющих систем, применяемых в конструкциях УГТВМ.

Показано, что эквивалентная схема периода простейшей модификации замедляющей системы, когда стержни меандра не имеют накладок, а дроссель выполнен в виде пластины, аналогична той, которая используется при расчете резонаторной системы с двойными связками, применяемой в амплитронах и магнетронах.

5. Предложена методика моделирования ячеек замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, выполняющих функцию трансформатора сопротивлений для обеспечения согласования системы с выводами энергии. Эффективность ее применения продемонстрирована на конкретном примере, для которого представлена эквивалентная схема трансформирующих ячеек и получено соотношения для расчета их входного сопротивления. Проведенный расчет показал, что частотные зависимости активной и реактивной компонент входного сопротивления трансформирующих ячеек являются функциями длины шлейфа одного из дросселей. В частности, показана возможность обеспечения в рабочей полосе частот малое изменение активной компоненты входного сопротивления и практически нулевую величину его реактивной компоненты при подборе длины шлейфа.

6. Предложена методика расчета полосовых свойств вакуумного уплотнения вывода энергии электронных приборов миллиметрового диапазона, выполненного в виде плоской керамической перегородки в регулярном волноводе. Методика, учитывающая потери в керамике, основана на эквивалентной схеме уплотнения, в которой участок волновода с керамикой замещается отрезком длинной линией. Эффективность ее применения подтверждена сравнением результатов расчета частотной зависимости КСВн уплотнения с экспериментальными данными.

Проведенный анализ показал, что при уменьшении толщины керамики и величины ее диэлектрической проницаемости рабочий диапазон смещается в сторону высоких частот, а ширина этой полосы частот уменьшается при увеличении толщины керамики и уменьшении ее диэлектрической проницаемости. С использованием предложенной методики также определяется частота, выше которой нельзя применять плоскую керамику в выводе энергии из-за возможности натекания через керамику. Граничная частота уменьшается при применении керамики с меньшей величиной диэлектрической проницаемости.

Публикации по теме диссертации

В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Качаев Х.Д. Расчет характеристик замедляющей системы усилителя прямой волны М-типа / Х.Д. Качаев, М.А. Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №4 (59). Вып 1 С. 79-83.

2. Качаев Х.Д. Моделирование замедляющих систем усилителей прямой и обратной волны М-типа на базе одной эквивалентной схемы / Х.Д. Качаев, М.А. Фурсаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №4 (60). Вып. 2. С. 91-95.

3. Качаев Х.Д. Определение полосовых свойств керамического вакуумного уплотнения вывода энергии электронных приборов миллиметрового диапазона / Х.Д. Качаев, М.А. Фурсаев // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2012. №1 (512). С. 51-54.

4. Качаев Х.Д. Экспериментальное определение мощности обратной электронной бомбардировки катода магнетрона миллиметрового диапазона / Х.Д. Качаев, И.Ш. Бахтеев, Е.И. Булдаков, H.A. Коплевацкий // Гете-ромагнитная микроэлектроника. 2009. №7. С. 109-112.

В других изданиях

5. Качаев Х.Д. Разработка вывода энергии повышенной надежности для магнетронов миллиметрового диапазона длин волн / И.Ш. Бахтеев, Е.И. Булдаков, Х.Д. Качаев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: матер. Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 2010. С. 314-318.

6. Качаев Х.Д. Методика расширения полосы синхронизации магнетрона миллиметрового диапазона / И.Ш. Бахтеев, Е.И. Булдаков, Х.Д. Качаев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: матер. Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 2010. С. 261-263.

7. Качаев Х.Д. Определение параметров керамического вакуумного уплотнения вывода энергии магнетрона миллиметрового диапазона / Х.Д. Качаев //. Техническая электродинамика и электроника: сб. науч тр Саратов: СГТУ 2010. С. 13-16.

8. Качаев Х.Д. Нерабочие виды колебаний в УПВМ, обусловленные дефектами его электродинамической системы / Х.Д. Качаев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. Саратов, 2011. С. 57-59.

9. Качаев Х.Д. Эквивалентная схема замедляющих систем усилителей магнетронного типа /Х.Д. Качаев, М.А. Фурсаев// Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. Саратов, 2011. .С. 37-41.

10. Качаев Х.Д. Математическое моделирование замедляющей системы типа «меандр с дроссельными поддержками» / Х.Д. Качаев // ММТТ-24: матер. Междунар. науч.-практ. конф. Саратов, 2011. С. 92-96.

11. Качаев Х.Д. Расчет характеристик меандровой системы с дроссельными поддержками / Х.Д. Качаев, М.А. Фурсаев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: матер. Междунар. науч.-техн. конф. Новосибирск, 2012. С. 35-37.

12. Качаев Х.Д. Трансформирующие свойства ячеек замедляющей системы усилителя прямой волны М-типа / Х.Д. Качаев, М.А. Фурсаев //. Актуальные проблемы электронного приборостроения: матер. Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 2012. С. 140-143.

Подписано в печать 22.10.12 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 0,9

Тираж 100 экз. Заказ 180 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ, 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

Введение.

Глава 1. Усилители магнетронного типа.

1.1. Приборы магнетронного типа с катодом в пространстве взаимодействия и принципы их работы.

1.2. Электродинамическая система усилителей магнетронного типа.

1.3. Модели замедляющих систем усилителей магнетронного типа и расчет их электродинамических характеристик.

1.4. Выводы.

Глава 2. Нерабочие виды колебаний в УПВМ.

2.1. Экспериментальные исследования возбуждения нерабочих видов колебаний в УПВМ.

2.2. Природа возбуждения нерабочих видов колебаний в

УПВМ.

2.3. Пути уменьшения интенсивности возбуждения нерабочих видов колебаний в УПВМ.

2.4. Выводы.

Глава 3. Моделирование и анализ характеристик элементов электродинамической системы УПВМ.

3.1. Исходные положения моделирования замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками.

3.2. Эквивалентное представление дроссельного участка замедляющей системы.

3.3. Сравнение результатов моделирования с данными эксперимента.

3.4. Анализ зависимости электродинамических характеристик замедляющей системы от ее геометрических параметров.

3.5. Моделирование трансформирующих свойств ячеек замедляющей системы.

3.6. Выводы.

Глава 4. Частотные свойства вакуумного уплотнения вывода энергии магнетрона миллиметрового диапазона.

4.1. Конструкция вакуумного уплотнения вывода энергии магнетрона миллиметрового диапазона.

4.2. Методика оценки полосовых свойств керамического вакуумного уплотнения.

4.3. Полосовые свойства конструкции вакуумного уплотнения вывода энергии с двумя керамическими пластинами.

4.4. Выводы.

Электронные СВЧ приборы М-типа с катодом в пространстве взаимодействия или приборы магнетронного типа (генераторы и усилители) продолжают находить применение в современной радиоэлектронной технике. Они характеризуются высоким КПД, низкими требованиями к источникам питающих напряжений, малыми массой и габаритами. Однако в связи с развитием техники постоянно повышаются требования к эксплуатационным показателям этих электронных СВЧ приборов и их стоимости. Обеспечение последнего требования достигается за счет усовершенствования технологии и снижения материальных затрат производства.

Улучшение электрических характеристик СВЧ приборов магнетронного типа достигается как при оптимизации параметров пространства взаимодействия, так и при отработке их электродинамической системы. Основными ее элементами являются замедляющая (или резонаторная) система, а также вывод (или выводы) энергии, в состав которого входят устройства связи этой системы со стандартным ВЧ трактом и вакуумное уплотнение.

При разработке приборов магнетронного типа определение параметров их пространства взаимодействия проводится с использованием двух подходов. Первый, предназначенный для «инженерного» расчета, позволяющего выявить связи между основными выходными электрическими параметрами прибора, геометрическими и электрическими параметрами его пространства взаимодействия, а также замедляющей системы. Он строится на базе аналитических соотношений. В качестве примера работ, в которых предложены методики «инженерного» расчета магнетронных усилителей, следует можно упомянуть [1 - 7]. Второй подход базируется на строгих математических моделях, в основу которых положен метод крупных частиц [8 - 10] и совместное решение уравнений движения, уравнения Пуассона и уравнения возбуждения. Расчеты проводятся с использованием специального программного обеспечения. К числу работ, в которых такой подход используется для моделирования характеристик магнетронных усилителей, можно отнести [11 -16]. С использованием строгих математических моделей анализируются режимы многочастотного усиления [17 -21]. На базе этих результатов могут решаться важные для практики вопросы работы усилителей с учетом возбуждения нерабочих видов колебаний. Однако для их решения необходимо знать условия возбуждения этих видов колебаний, которые во многом определяется электродинамической системой приборов.

Структура элементов электродинамической системы приборов магнетронного типа, в частности замедляющих и резонаторных систем, весьма сложна. Это не позволяет при анализе таких элементов непосредственно использовать полевые методы расчета. При их анализе, как правило, применяется метод эквивалентных схем [22 - 24]. Он предполагает представление отдельных участков электродинамической системы электротехническими элементами такими, как сопротивлениями, емкостями, индуктивностями, отрезками длинной линии. Составленная их них схема затем решается с использованием теории электрических цепей, в том числе теории четырехполюсников и многополюсников [25,26]. Значения параметров отдельных элементов эквивалентной схемы могут определяться с использованием полевых методов.

Такой подход к расчету и анализу элементов электродинамической системы приборов и ее в целом положен в основу при создании специального программного обеспечения. В частности, к их числу относятся программы «Serenade 7.5» и «CST STUDIO SUITE». Однако в этих программах не дается описание используемых эквивалентных схем и не приводятся соотношения, по которым рассчитываются параметры элементов электродинамических систем. Недостатком применения такого программного обеспечения, при котором может осуществляться только перебор вариантов, является формальный подход к решению вопросов разработки. Однако при разработке приборов важно понимать физику связи между геометрическими параметрами элементов электродинамической системы и параметрами элементов эквивалентной схемы.

В приборах магнетронного типа используется ряд типов замедляющих и резонаторных систем. Однако наиболее применяемыми являются различные модификации резонаторной системы с двойными связками в магнетронах и амплитронах, а также системы меандр с дроссельными поддержками в усилителях прямой волны магнетронного типа (УПВМ). Модификации резонаторных замедляющих систем с двойными связками весьма полно изучены [27 -29].

Что касается системы меандр с дроссельными поддержками, то исследованы лишь ее простейшие модификации [22,23,30,31]- Остаются не рассмотренными вопросы обоснования конструктивных решений, обеспечивающих согласование этой системы с выводом энергии. Между тем обеспечение необходимого уровня согласования является важным условием обеспечения качественной работы усилителя, в том числе получения высокого значения коэффициента усиления, достижение которого ограничено из-за возбуждения нерабочих видов колебаний.

В качестве усилителей высокого уровня мощности миллиметрового диапазона длин волн нашли применение магнетроны, работающие в режиме синхронизации входным сигналом. В связи с этим должны решаться вопросы оценки полосовых свойств вакуумного уплотнения вывода энергии, которые с учетом специфики миллиметрового диапазона [32] должно иметь простую и технологичную конструкцию.

Таким образом, в связи с необходимостью решения задач по дальнейшему повышению эксплуатационных показателей СВЧ приборов магнетронного типа, а также усовершенствования их конструкции и технологии весьма актуальным является направление по дальнейшему развитию представлений относительно элементов электродинамических систем этих приборов. Этим определяется актуальность задач, решаемых в настоящей диссертационной работе, в которой обобщены результаты выполненных исследований.

Целью диссертационной работы является: развитие методик расчета характеристик элементов электродинамических систем, с использованием которых решаются вопросы увеличения коэффициента усиления УПВМ и усовершенствования конструкции и технологии магнетронов миллиметрового диапазона с учетом их применения в усилительном режиме;

- исследование условий возбуждения нерабочих видов колебаний в УПВМ, сопутствующих усилению, что препятствует получение высоких значений коэффициента усиления.

В работе решаются следующие задачи:

1. Анализ результатов динамических испытаний УПВМ с целью определения природы возбуждения нерабочих видов колебаний, ограничивающих достижение высоких значений коэффициента усиления;

2. Выбор направления исследований по снижению уровня возбуждения нерабочих видов колебаний в УПВМ;

3. Усовершенствование эквивалентных схем замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками с целью обеспечения расчета и анализа электродинамических характеристик ее модификаций, применяемых в конструкциях УПВМ;

4. Развитие методик расчета параметров и характеристик модификаций замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, применяемых в конструкциях УПВМ, и проведение исследование таких систем;

5. Развитие методики моделирования ячеек замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками УПВМ, обеспечивающих согласование регулярной части этой системы с внешним ВЧ трактом;

6. Развитие методики оценки полосовых свойств керамического вакуумного уплотнения вывода энергии магнетронов миллиметрового диапазона;

7. Экспериментальная проверка результатов расчета.

При решении этих задач получен ряд новых результатов, из которых следует отметить:

- определены причины принципиальных отличий в условиях самовозбуждения нерабочих видов колебаний, обусловленных дефектами электродинамической системы, и состава их в спектре выходного сигнала УПВМ и амплитрона;

- показана возможность прогнозирования уровня возбуждения нерабочих видов колебаний в УПВМ, сопутствующих усилению, по результатам его испытаний в отсутствии входного сигнала;

- предложено построение эквивалентных схем замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками в виде совокупности отрезков полосковых линий, использование которых обеспечивает анализ и расчет модификаций такой системы, применяемых в конструкциях УПВМ;

- выявлена аналогия функций отдельных участков резонаторной системы с двойными связками, используемой в амплитроне, и замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, применяемой в УПВМ, определяющих электродинамические характеристики этих систем;

- развита методика моделирования крайних участков замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, выполняющих функцию трансформатора сопротивлений и обеспечивающих в УПВМ согласование регулярной части этой системы с внешним ВЧ трактом;

- развита методика расчета частотной зависимости коэффициента отражения керамического вакуумного уплотнения магнетронов миллиметрового диапазона, выполненного в виде плоской пластины, учитывающая активные потери в керамике.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновываются применением методов моделирования и расчетов, апробированных в современной технике СВЧ, соответствием применяемого математического аппарата классу задач, решаемых теорией электрических цепей, соответствием результатов расчета экспериментальным данным, полученным с использованием аттестованной измерительной аппаратуры.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Поскольку в УПВМ используется замедляющая система с нормальной дисперсией, а число ячеек в анодном блоке велико, то наличие дефектов в электродинамической системе приводит к появлению в спектре выходного сигнала, наряду с рабочей частотой, целого ряда частот нерабочих видов колебаний;

2. Представление эквивалентных схем замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками в виде совокупности отрезков полосковых линий, обеспечивающее анализ и расчет характеристик модификаций этой системы, применяемых в конструкциях УПВМ;

3. Методика моделирования крайних участков замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, выполняющих функцию трансформаторов сопротивлений, на базе их эквивалентного представления в виде совокупности отрезков полосковых линий для решения вопросов согласования выводов энергии УПВМ;

4. Методика расчета частотной зависимости коэффициента отражения керамического уплотнения вывода энергии магнетронов миллиметрового диапазона, выполненного в виде плоской пластины в волноводе, учитывающая активные потери в керамике.

Теоретическую значимость выполненных исследований имеет обоснование целесообразности использования, при анализе электродинамических характеристик замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками эквивалентных схем, представляющих собой совокупность отрезков полосковых линий. Практическую значимость имеют разработанные методики расчета параметров и характеристик конструктивных элементов электродинамических систем УПВМ и магнетронов миллиметрового диапазона, которые могут быть использованы при проектировании этих приборов СВЧ.

Личный вклад диссертанта:

- проведение теоретических и экспериментальных исследований;

- отработка методик холодных измерений и динамических испытаний макетов и приборов, необходимых для проведения экспериментальных исследований;

- обработка, анализ и обобщение полученных результатов. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов 2010 и 2012 гг.) и конференции «Умник» (СГТУ, Саратов, 2011 г.). По материалам диссертации опубликовано 12 работ, их них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

4.3. Выводы

1. Предложена методика расчета частотной зависимости КСВн вакуумного уплотнения вывода энергии электронных приборов миллиметрового диапазона, выполненного в виде плоской пластины в регулярном волноводе. В основу методики положена эквивалентная схема, в которой участок волновода с керамической пластиной замещается эквивалентным четырехполюсником. Кроме того, учитываются активные потери в керамике.

Как показало сравнение, результаты расчета находятся в соответствии с данными «холодных» измерений,

2. Проведен анализ полосовых свойств вакуумного уплотнения вывода энергии электронных приборов миллиметрового диапазона, выполненного в виде плоской керамической пластины. Показано, что учет потерь в керамике приводит к увеличению полосы согласования уплотнения. Как следует из анализа, при уменьшении толщины керамики рабочая полоса смещается в сторону высоких частот, а ширина рабочей полосы частот уменьшается при увеличении толщины керамики и уменьшении ее диэлектрической проницаемости.

3. Определены граничные частоты, выше которых не рекомендуется применять вакуумные уплотнения, выполненные в виде плоской перегородки в волноводе, в выводе энергии приборов. Ограничение определяется увеличением вероятности натекания при уменьшении толщины керамики. Граничная частота уменьшается при применении керамики с меньшей величиной диэлектрической проницаемости.

4. Показана возможность увеличение ширины полосы согласования вакуумного уплотнения при введении в его конструкцию второго керамической пластины и подборе расстояния между пластинами. При этом уточнена методика расчета частотной зависимости КСВн уплотнения. Согласно проведенному расчету полоса согласования уплотнения с двумя керамическими пластинами может быть увеличена на 30-40% относительно полосы уплотнения с одной пластиной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ результатов динамических испытаний УПВМ в режимах возбуждения нерабочих видов колебаний, сопутствующих усилению входного сигнала. Такой анализ необходим для получения представлений о причинах возбуждения этих колебания, поскольку их возбуждения является фактором, ограничивающим увеличение коэффициента усиления УПВМ.

Выявлено, что при уменьшении входной мощности в спектре выходного сигнала, наряду с частотой входного сигнала, наблюдается целый ряд частот нерабочих видов. Их частоты располагаются в полосе шириной до 15%. Причем частота входного сигнала находится в этой полосе. Такой состав спектра выходного сигнала объясняется тем, что при использовании в УПВМ замедляющей системы с нормальной дисперсией и большим числом ячеек в его анодном блоке электродинамическая система прибора имеет дефекты. Основным дефектом является рассогласование замедляющей системы с выводами энергии, в результате чего формируется проходной резонатор.

Таким образом, использование в УПВМ замедляющей системы с нормальной дисперсией, с одной стороны, обеспечивает его работу в диапазоне частот при неизменной величине анодного напряжения, а, с другой стороны, способствует возбуждению нерабочих видов колебаний, сопутствующих усилению входного сигнала. Это затрудняет борьбу с возбуждением нерабочих видов колебаний в УПВМ.

2. Обсуждены вопросы конкуренции рабочего вида колебаний в УПВМ и нерабочих видов. Обращено внимание, что некоторые частоты нерабочих видов в спектре выходного сигнала совпадают с частотами, соответствующим минимальным значениям КСВн на кривой частотной зависимости этого параметра, снятого со стороны входа прибора при согласованной нагрузке на его выходе. Эти частоты являются резонансными проходного резонатора, которым становится замедляющая система при рассогласованных выводах энергии.

Конкурентная способность нерабочего вида колебаний, обусловленного рассогласованием замедляющей системы, определяется добротностью проходного резонатора, величина которого зависит от уровня КСВн на кривой его частотной зависимости. Конкурентная способность этого вида снижается при уменьшении уровня КСВн. Возможность снижения его конкурентной способности за счет соответствующего выбора величин параметров электрического режима работы прибора, пространства взаимодействия и замедляющей системы ограничена. Поэтому делается вывод, что наиболее рациональным путем снижения уровня нерабочих видов колебаний в УПВМ является согласование замедляющей системы с выводами энергии.

3. Предложена и реализована методика моделирования замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, основанная на предположении, что система состоит из набора отрезков полоской линии, по которой распространяется ТЕМ-волна. Отрезки таких линий отличаются поперечными сечениями. При таком предложении эквивалентная схема периода замедляющей системы представляется рядом последовательно включенных четырехполюсников, что позволяет получить соотношения для расчета дисперсионной характеристики и волнового сопротивления.

Предложенный подход упрощает расчет модификаций замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, которые используются в конструкциях УПВМ, в том числе, когда стержни меандра снабжены накладками.

4. Рассмотрены две модификации замедляюшей системы меандр с дроссельными поддержками: при выполнении дроссельной части системы двумя соседними стержнями соединенными перемычкой и пластиной, к одному из концов которой подходят два стержня меандра.

Для этих модификаций замедляющей системы проведено сравнение результатов расчета частотных зависимостей величин фазового сдвига на ячейку системы и ее волнового сопротивления с данными «холодных» измерений. Из сравнения следует возможность использования предложенной методики при расчете модификаций замедляющих систем, используемых в конструкциях УПВМ.

Показано, что эквивалентная схема периода простейшей модификации замедляющей системы, когда стержни меандра не имеют накладок, а дроссель выполнен в виде пластины, аналогична той, которая используется при расчете резонаторной системы с двойными связками, применяемой в амплитронах и магнетронах.

5. Предложена методика моделирования структуры ячеек замедляющей системы меандр с дроссельными поддержками, выполняющих функцию трансформатора сопротивлений для обеспечения согласования системы с выводами энергии. Эффективность ее применения продемонстрирована на конкретном примере, для которого представлена эквивалентная схема трансформирующих ячеек и получено соотношения для расчета их входного сопротивления. Проведенный расчет показал, что частотные зависимости активной и реактивной компонент входного сопротивления трансформирующих ячеек являются функциями длины шлейфа одного из дросселей. В частности, при изменении его длины можно обеспечить в рабочей полосе частот постоянство активной компоненты входного сопротивления и практически нулевую величину его реактивной компоненты.

6. Предложена методика расчета полосовых свойств вакуумного уплотнения вывода энергии электронных приборов миллиметрового диапазона, выполненного в виде плоской керамической перегородки в регулярном волноводе. Методика, учитывающая потери в керамике, основана на эквивалентной схеме, в которой участок волновода с керамикой замещается отрезком длинной линии. Эффективность ее применения подтверждена сравнением результатов расчета частотной зависимости КСВн уплотнения с экспериментальными данными.

Проведенный анализ показал, что при уменьшении толщины керамики и величины ее диэлектрической проницаемости рабочий диапазон смещается в сторону высоких частот, а ширина этой полосы частот уменьшается при увеличении толщины керамики и уменьшении ее диэлектрической проницаемости. С использованием рассмотренного подхода также определяется частота, выше которой нельзя применять плоскую керамику в выводе энергии из-за возможности натекания через керамику. Граничная частота уменьшается при применении керамики с меньшей величиной диэлектрической проницаемости.

7. Показана возможность увеличение ширины полосы согласования вакуумного уплотнения при введении в его конструкцию второй керамической пластины и подборе расстояния между пластинами. Согласно проведенному расчету полоса согласования уплотнения с двумя керамическими пластинами может быть увеличена на 30-40% относительно полосы уплотнения с одной пластиной.

1. Бычков С.И. Вопросы теории и практического применения приборов магнетронного типа. /С.И. Бычков/. М.:»Сов. радио» 1967. С.

2. Цейтлин М.Б. Сверхвысокочастотные усилители со скрещенными полями. /М.Б. Цейтлин, М.А. Фурсаев, О.В. Бецкий/. М.: Сов. радио». 1978. С.280.

3. Rodney J. Beam build-up in a dematron amplifier. /J. Rodney, M. Vaughan/. IEEE Trans. 1971. Vol. ED-18. 16. №6. P. 365-373.

4. Ширшин С.И. Модель для анализа и расчета рабочих характеристик амплитрона. /С.И. Ширшин, В.Б. Байбурин, В.Б. Фельд-Тернопольс-кий/. Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1976. Вып. 10.1. С. 32-39.

5. Ширшин С.И. Приближенный метод расчета амплитрона. /Ширшин С.И./. Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1979. Вып.7. С. 58-67.

6. Петроченков В.И. К анализу рабочих характеристик дематрона. 4.1. Приближенный расчет основных характеристик дематрона. / В.И. Петроченков/. Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1975. Вып. 7. С. 34-46.

7. Байбурин В.Б. Простая модель дематрона. /В.Б. Байбурин/. Радиотехника. Харьков. Вища шк. 1982. №62. С. 112-118.

8. Gu S. P. Time-Dependent Computer Analysis of Electron-Wave Interaction in Crossed Fields. /S. P. Gu, G. P. Kooyers, O. Buneman/. Appl. Phys. 1965. Vol. 36. №8. P. 2550-2559.

9. Hockney R. W. A fast direct solution of Poissons equation using Fourier Analysis. /R. W. Hockney/. J. of ACM. 1965. Vol. 12. №1. P. 95.

10. Macgregor О. M. Computer modeling of crossed-field tubes. /О. M.Mac-gregor/. Application surface science. 1981. Vol. 8. №1, 2. P. 213-224.

11. Ширшин С.И. К анализу процессов взаимодействия в дематроне. /С.И.

12. Ширшин, В.Б. Байбурин, J1.H. Иванова/. Радиотехника и электроника. 1980. Т.25. №10. С. 2169-2179.

13. Чурюмов Г.И. Моделирование процесса взаимодействия замкнутого электронного потока в системах магнетронного типа с рапределенной эмиссией. /Г.И. Чурюмов/. Радиотехника. Харьков. Вища шк. 1982. Вып.62. С. 14-23.

14. Терентьев A.A. Компьютерное моделирование процессов в усилителях М-типа прямой и обратной волны. /A.A. Терентьев, И.К. Гурьев/. Физические основы радиоэлектроники и полупроводников. Межд. науч. сб. Вып.5. Сара-тов. СГУ. 2001. С.28-29.

15. Байбурин В.Б. Цилиндрическая модель усилиьеля с распределенной эмиссией и замкнутым электронным потоком. /В.Б. Байбурин, С.И. Ширшин, В.П. Еремин/. Радиотехника и электроника. 1984. Т.20. №3. С. 508-515.

16. Терентьев A.A. Многопериодная численная модель усилителя М-типа с распределенной эмиссией. /A.A. Терентьев, Е.М. Ильин, В.Б. Байбурин/. Изв. ВУЗов MB и ССО СССР. Радиоэлектроника. 1986. Т.29. №10. С.72-79.

17. Терентьев A.A. Моделирование на ЭВМ электронной бомбардировки анода и катода в дематроне и УПВМ. /A.A. Терентьев, В.П. Еремин/. Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1989. Вып.9. С. 25-29.

18. Ильин Е.М. Двухчастотный режим амплитрона. /Е.М. Ильин/. Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1977. Вып.8. С.45-55.

19. Ильин Е.М. Исследование усиления сигналов с близкими частотами в приборе М-типа с распределенным катодом. /Е.М. Ильин, В. М. Макаров, Т.А. Чистякова/. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1977. Вып. 12. С.39-47.

20. Чурюмов Г.И. Анализ многочастотного режима работы усилителя М-типа с катодом в пространстве взаимодействия. /Г.И. Чурюмов, А.Г.

21. Шеин/. Радиотехника. Респ. межвед. науч. сб. 1978. Вып.47. С. 107-110.

22. Терентьев A.A. Анализ и моделирование многочастотного режима в усилителях М-типа с распределенным катодом. /A.A. Терентьев, Е.М. Ильин, В.Б. Байбурин/. Радиотехника и электроника. 1985. Т.ЗО. №3. С.577-586.

23. Чурюмов Г.И. Теоретически й анализ двухчастотного режима работы магнетронного усилителя обратной волны с распределенной эмиссией. /Г.И. Чурюмов/. Радиотехника. Респ. межвед. науч. сб. 1987. Вып.81. С.94-97.

24. Тараненко З.И. Замедляющие системы. /З.И. Тараненко, Я.К. Трохи-менко/. Киев. Техшка. 1965. 307 с.

25. Силин P.A. Замедляющие системы. /P.A. Силин, В.П. Сазонов/. М.Сов. радио. 1966. 632 с.

26. Силин P.A. Периодические волноводы. /P.A. Силин/. Фазис. 2002.

27. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. /Г.И. Атабеков/. Краснодар. Лань. 2009. 432 с.

28. Бакалев В.П. Основы теории цепей. /В.П. Бакалев, В.Ф. Дмитряков,

29. Б.И. Крук/. М.: Горячая линия-Телеком. 2009. 596 с.

30. Коллинз Дж. Магнетроны сантиметрового диапазона. Пер. с англ. /Подред. С.А. Зусмановского/. -М. Советское радио. 1950. 4.1. 420 с.

31. Браун. Платинотрон (амплитрон и стабилотрон). В кн. Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями. Т.2. М. ИЛ. 1961. С. 155- .

32. Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования магнетронных генераторов (резонаторные системы). /Д.Е. Самсонов/. М. Сов. радио. 1966. 224 с.

33. Гутцайт Э.М. Усилители М-типа с катодом в пространством взаимодействия. 4.2. Расчет параметров и технология изготовления. / Э.М. Гутцайт, В.П. Еремин, М.А. Фурсаев/. М. Изд. МЭИ. 1076. 112 с.

34. Froom, Pearson, Ash, Horsley. IEEE Trans. ED-12. 1965. №7. P.411-421.

35. Касаткин Jl.В. Электровакуумные приборы диапазона миллиметровых волн. /Л.В. Касаткин, В.Д. Еремка, В.Д. Науменко/. Севастополь. Вебер 2007. 252 с.

36. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М. Высшая школа. 1972. Т.2. 375 с.

37. Кукарин C.B. Электронные СВЧ приборы. М. Радио и связь. 1981. 232 с.

38. Сковрон. Усилители М-типа с распределенной эмиссии. В кн. Мощные электровакуумные приборы СВЧ. /Под. ред. Л. Клемпита/. М. Мир. 1974. С. 69-101.

39. Березин В.М. Электронные СВЧ приборы. /В.М. Березин, B.C. Буряк, Э.М. Гутцайт, В.П. Марин/. М. Высшая школа. 1985. 296 с.

40. Гутцайт Э.М. Усилители М-типа с катодом в пространстве взаимодей ствия. 4.1. Элементы конструкции. /Гутцайт Э.М., Еремин В.П., Фурса-ев М.А./. Изд. МЭИ. 1976. 87 с.

41. Браун В. Амплитрон. В кн. СВЧ энергетика. Т.1. Пер. с англ. М. Мир. 1971.

42. Brown W. С. High power microwave generators of the crossed-field type. /W. C. Brown/. J. Microwave Power. 1970. V.5. №4. P. 245.

43. Дербишер Ю.А. Достижения и проблемы в разработке магнетронных усилителей прямой волны. /Ю.А. Дербишер/. «Зарубежная радиоэлек троника». 1969. № 2. С. 62.

44. Коваленко В.Ф. Введение в электронику СВЧ. /В.Ф. Коваленко/. М. Сов. радио. 1955.

45. Алыбин В.Г. Характеристики магнетронных усилителей. /В.Г. Алы-бин, Э.М. Гутцайт, Л.И. Соколова/. Изв. Вузов СССР. Радиотехника. 1965. №6. С. 647.

46. Качаев Х.Д. Нерабочие выды колебаний в УПВМ, обусловленные дефектами его электродинамической системы. /Х.Д. Качаев/. Техническая электродинамика и электроника. Сб. науч. трудов. Саратов. 2011. С. 57-59.

47. Альтман Дж. Устройства сверхвысоких частот. М. Мир. 1969. 487 с.

48. Цейтлин М.Б. Сверхвысокочастотные усилители со скрещенными полями. /М.Б. Цейтлин, М.А. Фурсаев, О.В. Бецкий/. М. Сов. радио. 1978.280 с.

49. Петроченков ВИ. Влияние отражений на фазочастотные и амплитудно-частотные характеристики магнетронного усилителя. Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1968. Вып.4. С. 18.

50. Топалов C.B. О природе нерабочих видов колебаний в УПВМ. /C.B. Топалов, О.М. Хохлова, М.А. Фурсаев/. Актуальные проблемы электронного приборостроения. Матер, межд. науч.-техн. конф. Саратов. 2004. С. 65-69.

51. Качаев Х.Д. Расчет характеристик замедляющей системы усилителя прямой волны М-типа /Х.Д. Качаев, М.А. Фурсаев/ Вестник СГТУ. 2011. №4 (59). Вып.1. С.79-83.

52. Качаев Х.Д. Эквивалентная схема замедляющих систем усилителей магнетронного типа. /Х.Д. Качаев, М.А. Фурсаев/. Техническая электродинамика и электроника. Сб. науч. трудов. Саратов. 2011 С.37-42.

53. Качаев Х.Д. Расчет характеристик меандровой системы с дроссельными поддержнами при использовании теории четырехполюсников. /Х.Д. Качаев, М.А. Фурсаев/. Матер, межд. науч.-техн. конф. Новосибирск 2012. С.

54. Качаев Х.Д. Математическое моделирование замедляющей системы типа «меандр с дроссельными поддержками». /Х.Д. Качаев/. Межд. науч. конф. ММТТ-24. Саратов. 2011. С.84-86.

55. Иоссель Ю.Я. Расчет электрической емкости. /Ю.Я. Иоссель, Э.С. Качанов, М.Г. Струнский/. Л-д. Энергоиздат. 1981.

56. Качаев Х.Д. Моделирование замедляющих систем усилителей прямойи обратной волны М-типа на базе одной эквивалентной схемы /Х.Д. Качаев, М.А. Фурсаев/. Вестник СГТУ. 2011 №4 (60). Вып.2. С.91-95.

57. Качаев Х.Д. Трансформирующие свойства ячеек замедляющей системы усилителя прямой волны М-типа. /Х.Д. Качаев, М.А. Фурсаев/. Актуальные проблемы электронного приборостроения. Матер, межд. науч.-техн. конф. Саратов. 2012. С.

58. Каргин А.Н. Миниатюрные синхронизированные магнетроны для систем связи. /А.Н. Каргин/. Радиотехника. 2000. №2. С. 62-66.

59. Бахтеев И.Ш. Методика расширения полосы синхронизации магнетрона миллиметрового диапазона. /И.Ш. Бахтеев., Е.И. Булдаков, Х.Д. Качаев/. Актуальные проблемы электронного приборостроения. Матер, межд. науч.-техн. конф. Саратов. 2010. С.314-318.

60. Крупаткин И.Г. Импульсный магнетрон на длину 2,2 мм. /И.Г. Кру-паткин, H.H. Галушко/. Труды ИРЭ АН УССР. 1964. Т. 12. С.30-34.

61. Еремка В.Д. Исследование и разработка магнетронов миллиметрового диапазона. / В.Д. Еремка, В.Д. Науменко/ Успехи современной радиоэлектроники. Зарубежная радиоэлектроника. 2008. Вып.4. С.23-58.

62. Ерошев В.К. Металлокерамические вакуумноплотные конструкции. /В.К. Ерошев/.М. Энергия. 1970.

63. Фельдштейн A.JT. Справочние по элементам волноводной технике. /A.J1. Фельдштейн, J1.P. Явич, В.П. Смирнов/. М.: Советское радио. 1967. 652 с.

64. Булдаков Е.И. Исследование и разработка мощных импульсных 2х магнетронов повышенной надежности. /Е.И. Булдаков, A.A. Захаров, В.П. Еремин/. Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №4(60). С.80-86.

65. Качаев Х.Д. Определение параметров керамического вакуумного уплотнения вывода энергии магнетрона миллиметрового диапазона. /Х.Д. Качаев/. Техническая электродинамика и электроника. Сб. науч трудов. СГТУ. Саратов. 2010. С. 13-16.

66. Качаев Х.Д. Определение полосовых свойств керамического вакуумного уплотнения вывода энергии электронных приборов миллиметро вого диапазона. / Х.Д. Качаев, М.А. Фурсаев/. Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2012. №1 (512). С. 51-54.

67. Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования магнетронов. (Настройка. Стабилизация, Вывод энергии. Холодные изменения). /Д.Е. Самсонов/. М.: Сов. радио. 1974. 328 с.

68. Керамика вакуумплотная. ТУ 11-78 Ая0.027.002 ТУ.о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы качаева халида дарвиновича1. Комиссия в составе'

69. Развитие методики расчета электродинамических параметров замедляющей системы типа меандр с дроссельными поддержками используемой в УПВМ

70. Развитие методики моделирования трансформирующих свойств ячеек замедляющей системы типа меандр с дроссельными поддержками, обеспечивающих согласование регулярной части этой системы с внешним ВЧ трактом.

71. Развитие методики борьбы с нерабочими видами колебаний возбуждаемые в УПВМ.

72. Результаты диссертационной работы были внедрены в рамках ОКР по темам: Вакуум-21 и Самолет-М.1. Председатель комиссии1. Члены комиссии:1. A.B. Гавриленко

73. И. Вислов Г.С. Гундобин A.C. Мясников