автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Увеличение полосы усиливаемых частот магнетрона миллиметрового диапазона в режиме синхронизации

На правах рукописи

БАХТЕЕВ Игорь Шамильевич

УВЕЛИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ УСИЛИВАЕМЫХ ЧАСТОТ МАГНЕТРОНА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА В РЕЖИМЕ СИНХРОНИЗАЦИИ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О1

Саратов - 2013

005532495

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и в Открытом акционерном обществе «Тантал»

Научный руководитель: доктор технических наук, лауреат

Государственной премии, профессор, Фурсаев Михаил Александрович

Официальные оппоненты: Зоркин Александр Яковлевич —

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., профессор по кафедре «Электронное машиностроение и сварка»

Семенов Владимир Константинович — кандидат технических наук, лауреат Государственной премии, зам. главного инженера по научной работе ОАО «НПП «Контакт», г. Саратов

Ведущая организация: ОАО «НПП «Алмаз»

(г. Саратов)

Защита состоится «26» июня 2013 г. в 13:00 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. 414.

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

Автореферат разослан «25» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Димитрюк А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В .настоящее время одним из направлений развития электронного приборостроения является освоение миллиметрового диапазона длин волн в обеспечение требований современной радиотехники. При переходе в этот диапазон существенно усложняются решения многих конструктивно-технологических проблем создания электронных приборов, в частности работающих в усилительном режиме, что связано с уменьшением размеров элементов конструкции приборов и с необходимостью обеспечения эффективного от них теплоотвода.

Недостатком ЛБВ и клистронов миллиметрового диапазона является высокая стоимость, большие массогабаритные параметры и высокие требования к источнику анодного питания. Это существенно сдерживает их применение в мобильных, а тем более в бортовых PJIC. В таких PJ1C весьма перспективно использование усилителей, в которых магнетрон работает в режиме синхронизации входным сигналом. Тем более, что разработанные к настоящему времени магнетроны миллиметрового диапазона характеризуются высоким КПД, низким анодным напряжением, простотой конструкции, малыми размерами и массой, а также стоимостью (А.Я. Усиков, A.A. Гурко, В.П. Еремин, В.Д. Науменко, В.Д. Еремка и др.). Недостатком таких усилителей является узкая полоса усиливаемых частот.

Теоретическому и экспериментальному исследованию режима синхронизации магнетронов посвящено весьма много работ зарубежных и отечественных авторов (Р. Адлер, Дж. Клайн, X. Таль, М.М. Райнер, A.M. Трифонов, С.И. Бычков, А.Н. Каргин, Э.М. Гутцайт, Ю.Р. Лемзель, И.И. Минакова, В.Г. Клещук и др.). Однако в очень малом числе работ рассматривался режим синхронизации в миллиметровом диапазоне (В.Д. Науменко, Р.П. Федий). В теоретических исследованиях использовались лишь приближенные модели магнетрона. Между тем электроника и электродинамика магнетронов миллиметрового диапазона существенно отличаются от электроники и электродинамики магнетронов сантиметрового и дециметрового диапазонов, работающих на основной гармонике л-вида колебаний. Эти отличия должны учитываться при решении вопроса увеличения полосы усиливаемых частот усилителя миллиметрового диапазона, в котором используется магнетрон.

Для успешного решения задач по созданию усилителей на магнетроне, в том числе в миллиметровом диапазоне, важное значение имеет наличие численных методов моделирования работы этого прибора в режиме синхронизации. Такие методы в настоящее время отсутствуют, несмотря на наличие ряда численных моделей магнетронов, работающих в генераторном режиме (A.A. Терентьев, В.Б. Байбурин, И.К. Гурьев, A.C. Рошаль, А.Г. Шеин, A.A. Шадрин и др.).

Следовательно, актуальными задачами являются поиск путей создания в миллиметровом диапазоне длин волн низковольтного усилителя

высокого уровня мощности с низкими требованиями к источнику анодного питания и достаточно широкой полосой усиливаемых частот на базе магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, а также разработка численной модели его работы в этом режиме.

Целью диссертационной работы является определение условий, обеспечивающих увеличение рабочей полосы частот усилителя высокого уровня мощности миллиметрового диапазона на базе магнетрона, работающего в режиме синхронизации, поиск путей практической реализации этих условий, а также разработка численной модели для расчета электрических характеристик такого усилителя.

Задачи исследования:

1. Экспериментальные исследования по определению условий, обеспечивающих увеличение диапазона усиливаемых частот усилителя миллиметрового диапазона на магнетроне, работающего в режиме синхронизации, и поиск путей их практической реализации.

2. Разработка методик прогнозирования диапазона усиливаемых частот магнетрона миллиметрового диапазона, работающего в режиме синхронизации по результатам «холодных» измерений и динамических испытаний в генераторном режиме.

3. Создание численной математической модели магнетрона, работающего в режиме синхронизации, обеспечивающей расчет электрических характеристик прибора при его работе в этом режиме.

4. Реализация конструктивного решения, обеспечивающего увеличение полосы усиливаемых частот усилителя миллиметрового диапазона на магнетроне, работающего в режиме синхронизации.

5. Разработка принципов построения усилительного устройства с увеличенным диапазоном усиливаемых частот на магнетроне, работающем в режиме синхронизации входным сигналом.

Научная новизна работы:

1. Показано, что при прогнозировании полосы синхронизации магнетронов миллиметрового диапазона, работающих на дублете вида колебаний, отличающегося от л-вида, нельзя использовать резонансную кривую рабочего - вида колебаний.

2. Показано, что увеличение полосы синхронизации магнетрона достигается при включении между его выходом и ферритовым циркулятором рассогласованного элемента с фазой коэффициента отражения, совпадающей с фазой коэффициента отражения рассогласованной нагрузки, при которой происходит резкое изменение частоты магнетрона, работающего в генераторном режиме, при изменении ее фазы.

3. Реализован описанный в п. 2 подход к увеличению полосы синхронизации магнетрона в конструктивное решение усилительного устройство миллиметрового диапазона с увеличенной полосой усиливаемых частот на этом приборе.

4. Построена численная модель магнетрона, работающего в режиме синхронизации, и на ее основе разработано программное обеспечение расчета электрических характеристик синхронизированного магнетрона.

Достоверность результатов и выводов диссертации подтверждается применением апробированных методик измерения и аттестованной аппаратуры при экспериментальных исследованиях, корректного применения методов моделирования и соответствием результатов моделирования экспериментальным данным, реализацией результатов исследования при конструировании промышленных образцов усилительных устройств.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

5. Малое разделение резонансных частот дублетов рабочего вида колебаний резонаторной системы магнетрона миллиметрового диапазона, отличающегося от л-вида, не позволяет прогнозировать его ширину полосы синхронизации по резонансной кривой рабочего вида колебаний.

6. Максимальный диапазон усиливаемых частот усилительного устройства на синхронизированном магнетроне достигается при той фазе коэффициента отражения рассогласованного элемента, включаемого между выходом прибора и ферритовым циркулятором, при которой имеет место резкое изменение генерируемой частоты магнетрона, когда изменяется фаза рассогласованной нагрузки.

7. Численная математическая модель магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, и результаты расчета его электрических характеристик, выполненные на базе этой модели.

8. Принцип построения усилительного устройства миллиметрового диапазона с увеличенной полосой усиливаемых частот на магнетроне, заключающийся в том, что между выходом магнетрона и ферритовым циркулятором включены две пластины: одна их них обеспечивает фазу коэффициента отражения, а другая - КСВн, при величинах которых достигается максимальная полоса усиливаемых частот.

9. Методика оперативного определения геометрических параметров пластин, включаемых между выводом энергии магнетрона и ферритовым циркулятором, с целью увеличения полосы усиливаемых частот усилительного устройства миллиметрового диапазона, использующего этот прибор.

Теоретическую значимость имеют разработанная математическая модель магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, и результаты расчета его электрических характеристик на базе этой модели.

Практическую значимость имеют методика прогнозирования полосы синхронизации магнетронов миллиметрового диапазона, работающих на дублете вида колебаний резонаторной системы, отличного от гс-вида; предложения включения между выводом энергии магнетрона и ферритовым циркулятором двух пластин с определенными геометрическими параметрами с целью увеличения полосы усиливаемых

частот усилительного устройства миллиметрового диапазона на магнетроне, работающего в режиме синхронизации входным сигналом; реализация этого предложения в конструкции таких усилительных устройств; методика определения геометрических параметров таких пластин, позволяющая сократить время этой технологической операции.

Личный вклад автора:

- проведение теоретических и экспериментальных исследований;

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

- обработка, анализ и обобщение полученных результатов.

Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации,

докладывались на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения (Саратов 2010,2012), Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов,2010), 13th IEEE International Vacuum Electronics Conference IVEC 2012 (Monterey, 2012), а также на научных семинарах кафедры «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета и научно-технических советах в ОАО «НИИ «Тантал» и ООО «ОКБ Приборостроение».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и акта внедрения выполненных исследований. Ее объем 109 страниц, 54 рисунка, 87 наименований цитируемых источников.

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 приведены сведения о современном состоянии в области разработки ЭВП миллиметрового диапазона. Их анализ показал перспективность направления по созданию усилителей на базе магнетрона, работающего в режиме синхронизации. В частности, работы в этом направлении ведутся в таких известных зарубежных фирмах, как E2V, Raytheon, Hughes, CPI, Northor Grumman Corp.

Проведен краткий обзор работ, посвященных режиму синхронизации магнетрона. Рассмотрена наиболее применяемая схема реализации этого режима, в котором на выходе магнетрона подключается ферритовый циркулятор. Особое внимание уделено исследованиям A.M. Трифонова, которым показана зависимость ширины полосы синхронизации от параметров неоднородности, включенной между магнетроном и циркулятором, как показано на рис. 1, и А.Н. Каргина, которым получено

соотношения, определяющее связь между шириной полосы синхронизации и величинами параметров этой неоднородности.

Рассмотрены особенности электроники и электродинамики магнетронов миллиметрового диапазона, основными которыми являются использование в качестве рабочего вид колебаний с малым номером и работа на пространственной гармонике (как правило, на минус первой), и в режимах, близких к критическому. При этом виды колебаний резонаторной системы с малыми номерами имеют дублеты с разными величинами резонансных частот, которые в различной степени связаны с выводом энергии.

Рис. 1. Блок-схема реализации режима синхронизации магнетрона

с включением неоднородности между ним и циркулятором (1 - магнетрон, 2 - циркулятор, 3 - неоднородность, 4 - нагрузка)

Во второй главе приведены результаты экспериментального исследования магнетрона миллиметрового диапазона с учетом реализации режима синхронизации в широком диапазоне частот. Исследования проводились на 8-мм магнетроне. При этом не рассматривается направление по снижению величины внешней добротности резонаторной системы, поскольку из-за малых размеров системы имеются конструктивные ограничения по его практической реализации.

Как показывает опыт, для достижения более высокого КПД магнетронов миллиметрового диапазона, работающего в генераторном режиме, не должно быть большого различия в резонансных частотах дублетов рабочего вида колебаний. Между тем как взаимодействие электронного облака происходит с ВЧ полем одного из этих дублетов, а для оценки полосы синхронизации необходимо знать величину внешней добротности «взаимодействующего» дублета. Малое разделение резонансных частот дублетов отражается на резонансной кривой рабочего вида колебаний, что не дает возможность по этой кривой определить величины внешней добротности каждого дублета.

На рис. 2 приведена осциллограмма резонансной кривой рабочего вида колебаний магнетрона, на которой цифрами отмечены дублеты. Относительная разность их резонансных частот составляет 0,53%.

Рис. 2. Осциллограмма резонансной кривой рабочего вида колебаний магнетрона миллиметрового диапазона

Для определения величин внесенной добротности каждого из дублетов рабочего вида колебаний предлагается использовать данные «холодных» измерений зависимости их резонансных частот от фазы коэффициента отражения рассогласованной нагрузки. Такие зависимости, снятые при рассогласованной нагрузке с КСВн = 3, приведены на рис. 3. Величина внешней добротности каждого дублета определяется по максимальной величине изменения резонансной частоты при изменении фазы коэффициента отражения рассогласованной нагрузки. Согласно данным рис. 3, величина внешней добротности «нагруженного» дублета равна 57, а «ненагруженного» - 120.

а.ээ

0.98

0.97

о

100 200 300 400

фяза коэффициента отражения нафузки. град

Рис. 3. Зависимость резонансных частот дублетов рабочего вида колебаний магнетрона миллиметрового диапазона от фазы коэффициента отражения нагрузки с КСВн = 3 (I - «ненагруженный дублет», 2 - «нагруженный дублет»)

Проведенные экспериментальные исследования магнетрона в генераторном режиме показали, что

- величина электронного смещения частоты, генерируемой магнетроном миллиметрового диапазона на порядок больше, чем в магнетронах сантиметрового диапазона, при одинаковом значении нагруженной добротности резонатор ной системы;

- значения фазы рассогласованной нагрузки, в которых происходит резкое изменение частоты, генерируемой магнетроном миллиметрового диапазона, существенно зависит от анодного тока.

Такие зависимости генерируемой частоты и фазы коэффициента отражения рассогласованной нагрузки, соответствующей резкому изменению частоты, от анодного тока в магнетроне миллиметрового диапазона представленной на рис. 4, являются следствием малой величины амплитуды ВЧ электрического поля резонаторной системы прибора, в котором для взаимодействия с электронным облаком используется неосновная пространственная гармоника.

Экспериментальные исследования магнетрона в режиме синхронизации проводились по схеме на рис. 1. В качестве неоднородности использовался рассогласователь, который представлял собой отрезок волновода с перемещаемым вдоль него зондом с регулируемым погружением его в волновод.

Фаза коэффициент отражения нагрузки, град

Рис. 4. Зависимости генерируемой частоты от фазы коэффициента отражения нагрузки при различных значениях анодных токов (при КСВн=2,5): 1 - 1,25 А; 2 - 1 А; 3 - 0,75 А

На рис. 5 приведены экспериментальные зависимости мощности на выходе синхронизированного магнетрона от частоты входного сигнала при трех значениях фазы коэффициента отражения рассогласователя. Наиболее широкая полоса синхронизации соответствует подобранной, «оптимальной» фазе; два других значения фазы отличаются от «оптимальной» на ±50 градусов. Исследования показали наличие величины фазы коэффициента отражения рассогласователя, при которой достигается наибольшая ширина полосы синхронизации. Эта «оптимальная» фаза совпадает со значением фазы коэффициента отражения рассогласованной нагрузки, при котором происходило резкое изменение частоты магнетрона, работающего в генераторном режиме.

В табл. 1 проведено сравнение экспериментальных данных с данными расчета по соотношению, полученному А.Н Каргиным. Этими данными являются величины отношений ширины полосы синхронизации при наличии в схеме рассогласователя к ширине полосы синхронизации при его отсутствии.

Рис. 5. Зависимости выходной мощности синхронизированного магнетрона для ряда значений фазы коэффициента отражения рассогласователя с КСВн =3 (1 - «оптимальная фаза», соответствующая максимальной полосе синхронизации,

2 - фаза, отличающаяся от «оптимальной» на - 50 градусов,

3 - фаза, отличающаяся от «оптимальной» на + 50 градусов)

Таблица 1

Сравнение экспериментальных и расчетных величин ширины полосы синхронизации магнетрона при изменении параметров рассогласователя

Параметры рассогласователя Данные расчета Данные эксперимента

КСВн=2,5, оптимальная фаза коэффициента отражения 0,15 0,13

КСВн=3, оптимальная фаза коэффициента отражения 0,39 0,4!

КСВн=3, фаза коэффициента отражения отличается от оптимальной на -50° 0,16 0,124

КСВн=3, фаза коэффициента отражения отличается от оптимальной на +50° 0,164 0,162

Как следует из данных, приведенных на рис. 5, увеличение КСВн рассогласователя сопровождается увеличением полосы синхронизации. Однако при КСВн выше определенной величины приводит к появлению разрыва в полосе синхронизации магнетрона (при КСВн>4). Появление этого разрыва не учитывается соотношением А.Н. Каргина.

Результаты выполненных экспериментальных исследований явились методологической основой разработки усилителя миллиметрового диапазона на базе магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом. В частности, определена необходимость подбора значений параметров рассогласователя, вводимого между магнетроном и ферритовым циркулятором, только при той величине анодного тока, при которой прибор обеспечивает требуемый уровень выходной мощности, когда он работает в генераторном режиме.

Рис. 6. Зависимости от частоты выходной мощности синхронизированного магнетрона для ряда значений КСВн рассогласователя, полученные при «оптимальной» фазе его коэффициента отражения ( —«н> КСВн =1,15; КСВн =2,5;-*- КСВи =3; КСВн = 4)

Третья глава посвящена численному моделированию электрических характеристик магнетрона в режиме синхронизации, когда при решении уравнения движения учитывается, что ВЧ электрическое поле его резонаторной системы является суммой ВЧ поля, обусловленного наведением сгруппированного электронного облака, и ВЧ поля входного сигнала. Напряжения этих полей, ивч и ивх, сдвинуты по фазе на угол ф, как показано на векторной диаграмме рис. 7.

и<!4 иных

Рис. 7. Векторная диаграмма, иллюстрирующая фазовые соотношения между ВЧ напряжениями 1)в,„ и„, и ивы„ а также током 111ЯВ.

Суммарное ВЧ поле резонаторной системы с напряжением ивь1Х, величина которого равна

^вых = л1и1х + и1ч + 2ивхипч соэ <р , (1)

участвует в формировании сгруппированного электронного облака, а величиной напряжения UBblI определяется мощность на выходе магнетрона.

На рис.7 вектором отражен ВЧ ток i нав, обусловливаемый наведением сгруппированным электронным облаком. Этот ток, как и в случае магнетрона, работающего в генераторном режиме, отстает по фазе от ВЧ напряжения резонаторной системы на угол <рэл. В режиме синхронизации частота на выходе магнетрона определяется частотой входного сигнала. Из этого делается вывод, что наведенный ток и напряжение входного сигнала должны быть синфазны, т.е. должно выполняться условие

<Рэл = 0. (2)

где 9 - фазовый сдвиг между напряжением резонаторной системы и напряжением входного сигнала. Величина этого фазового сдвига может быть определена как

t/B4sing>_

sin t) — , --(3)

VU2bx+U¡4+2U

вх вч

Величина фазового сдвига <рэл между ВЧ напряжением резонаторной системы UBblx и током 1нав равна

р

л 1 реакт

(p3J1=arctg—-1 (4)

"акт

где Ракт и Рреакт - активная и реактивная мощности взаимодействия сгруппированного электронного облака и ВЧ поля резонаторной системы.

Величины параметров, входящих в соотношения (1), (3) и (4) (ВЧ напряжения UB4, фазового сдвига <рм, а также компонент мощности PaiíT и Рреакт). могут быть определены при использовании имеющего программного обеспечения моделирования работы магнетрона в генераторном режиме. Следовательно, задача моделирования работы синхронизированного магнетрона сводится к определению такого электрического режима его работы, при котором обеспечивается условие (2).

Моделирование частотных характеристик магнетрона, работающего в режиме синхронизации, предполагает учет частотных свойств резонаторной системы. Поэтому в уравнениях модели магнетрона вместо величины волнового сопротивления резонаторной системы используется величина полного сопротивления, зависящая от частоты.

Разработанное программное обеспечение расчета электрических характеристик магнетрона, работающего в режиме синхронизации, написано на языке Паскаль и ориентировано на персональные компьютеры типа IBM РС/АТ386. За его основу взято программное обеспечение модели магнетрона в генераторном режиме, развитой в работах A.A. Терентьева, В.Б. Байбурина и И.К. Гурьева.

а б

Рис. 8. Сравнение расчетных (1) и экспериментальных (2) вольт-амперных характеристик (а) и зависимостей выходной мощности от анодного тока (б) магнетрона в режиме синхронизации

Проверка адекватности построенной модели синхронизированного магнетрона осуществлялась на приборе, на котором проводились описанные выше исследования, и на базе которого было создано усилительное устройство. В качестве примера на рис.8 представлены результаты сравнения расчетных и экспериментальных вольт-амперных характеристик и зависимостей выходной мощности от анодного тока для входной мощности 50 Вт и частоты входного сигнала, равной генерируемой частоте в его отсутствии. Кроме того был проведен анализ основных электрических характеристик магнетрона в режиме синхронизации от параметров входного сигнала.

Четвертая глава посвящена описанию конструкции созданного усилительного устройства миллиметрового диапазона на магнетроне, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, методике операций по увеличению рабочей полосы частот устройства и исследованию его электрических характеристик.

На рис. 9 приведена фотография усилительного устройства, основными элементами которого являются магнетрон и ферритовый циркулятор, смонтированные на плате. Между магнетроном и циркулятором введена диафрагма, подбором параметров которой достигается увеличение полосы усиливаемых частот. Диафрагма состоит из двух пластин. Геометрия окна первой пластины, расположенной у вывода энергии магнетрона, такая же, как поперечное сечение волновода этого вывода энергии, ее толщина обеспечивает необходимое значение фазы коэффициента отражения рассогласователя. Во второй пластине, обеспечивающей необходимое значение КСВн рассогласователя, ширина узкой стенки окна меньше узкой стенки окна волновода вывода энергии.

Рис. 9. Фотография усилительного устройства миллиметрового диапазона, на синхронизированном магнетроне (1 - магнетрон, 2 - ферритовый циркулятор, 3 - плата, 4 - диафрагма, 5 - ВЧ вывод устройства, 6 - ВЧ вход устройства)

Подбор параметров пластин проводится в два этапа на стенде динамических испытаний. Вначале определяется фаза коэффициента отражения диафрагмы, при которой достигается максимальная ширина полосы синхронизации. Для этого между магнетроном, работающим в генераторном режиме, и циркулятором включается рассогласователь, в котором глубиной погружения зонда обеспечивается значение КСВн в пределах 2-3. Перемещением зонда вдоль волновода определяется его положение, при котором происходит резкое изменение генерируемой магнетроном частоты, и частота, соответствующая середине частотного интервала при ее изменении (рис. 10). По полученным результатам определяется толщина первой пластины.

<.ИИЧ,/(°

0.997

100 150 200 250 300 350 фаза коэффициента отражения нагрузки, град

Рис. 10. Типичный вид измеренной зависимости генерируемой частоты от фазы коэффициента отражения зонда рассогласователя

Операции второго этапа выполняются при работе магнетрона в режиме синхронизации. При этом рассогласователь заменяется двумя пластинами, толщина первой из них уже определена, окно второй обеспечивает значение КСВн в пределах 2-3. Далее подбором геометрии окна второй пластины достигается получение максимальной полосы синхронизации. Конструктивное решение соединения фланца вывода

энергии магнетрона, фланца циркулятора и пластин позволяют весьма оперативно производить замену пластин. На рис. 11 приведены данные, отражающие описанную выше технологическую операцию при входной мощности Рвх = 70 Вт. Крайние точки соответствуют границам полосы синхронизации.

Реых, Вт

1

..............

-

№

Рис. 11. Экспериментальные зависимости выходной мощности магнетрона от частоты на различных этапах при подборе параметров пластин рассогласующей диафрагмы. (—Ф—- в отсутствии диафрагмы, - при наличии рассогласователя

с подобранным положением зонда с КСВн = 3, _ ПрИ наличии пластин с подобранными значениями параметров)

На рис. 12 приведены вольт-амперные характеристики усилительного устройства при входной мощности Рвх = 50 Вт для ряда значений частоты входного сигнала, на рис. 13 - зависимости выходной мощности от частоты для ряда значений входной мощности при величине анодного тока 1а = 3 А. Эти и другие данные экспериментального исследования позволяют сделать заключение, что развитая математическая модель магнетрона, работающего в режиме синхронизации, вполне адекватно передает характер взаимосвязей между его электрическими параметрами. Экспериментом подтверждено:

- при увеличении частоты входного сигнала и при фиксированном его уровне происходит смещение вольт-амперных характеристик в сторону высоких значений анодного напряжения;

- при увеличении входной мощности при фиксированной частоте входного сигнала происходит смещение вольт-амперной характеристики в сторону меньших величин анодного напряжения;

- величина тока срыва, при котором ВЧ электрическое поле резонаторной системы рабочего вида перестает управлять электронным облаком, увеличивается при увеличении, как частоты входного сигнала, так и его мощности;

- величина выходной мощности увеличивается при увеличении входной мощности линейно;

- при фиксированном анодном токе величина выходной мощности увеличивается при увеличении уровня входной мощности на величину ее приращения, т.е. усилительное устройство является насыщенным усилителем;

- ограничение области усиливаемых частот связано с явлением срыва колебаний.

2,8

2.7

2,6

2,5

2,4

0 12 3 15 6

Рис. 12. Вольт-амперные характеристики устройства для ряда значений частоты входного сигнала ( • НА, = 0,996, -*- - /«//<,= 0,9969, -Мо= 1. -Л//о= 1,001, - /ех//0= 1,0016)

Рвых, Вт

Рис. 13. Зависимость выходной мощности устройства от частоты в полосе синхронизации для ряда значений входной мощности при величине анодного тока 1а = 3 А (-*—Рвх=50Вт, - Рвх = 40 Вт, Рвх = 30 Вт)

При оценке полосы усиливаемых частот устройства приняты критерии, применяемые для аналогичных целей усилителей магнетронного типа: при фиксированном значении анодного тока, который называется номинальным, коэффициент усиления при задаваемом уровне входной мощности должен быть не ниже определенной величины. Как видно из рис. 12 и 13, на высокочастотном краю ток срыва выше, чем на низкочастотном, но на высокочастотном краю происходит существенное уменьшение коэффициента усиления. Таким образом, если за номинальную величину анодного тока принять даже ток срыва на низкочастотном краю, то следует вывод, что диапазон усиливаемых частот меньше полосы синхронизации.

В табл. 2 приведены данные, характеризующие полосовые свойства образца усилительного устройства, для которого на рис. 12 и 13 приведены экспериментальные зависимости.

Таблица 2

Полосовые свойства усилительного устройства

Номинальный ток, Входная мощность, Коэффициент Рабочий диапазон

А Вт усиления, дБ частот, %

3 50 13 0,53

3 40 13,2 0,44

3 30 13,3 0,4

3,5 50 13,6 0,46

Анализ электрических характеристик разработанного усилительного устройства миллиметрового диапазона на магнетроне, работающего в режиме синхронизации, показал, что они аналогичны характеристикам усилителей магнетронного типа, например, амплитрона. Таким образом, это устройство является типичным усилителем магнетронного типа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что при оценке полосы синхронизации магнетрона миллиметрового диапазона наличие дублетов рабочего вида колебаний его резонаторной системы не позволяет использовать резонансную кривую этого вида для определения величины внесенной добротности дублета, с ВЧ полем которого происходит взаимодействие электронного облака. Для определения внесенной добротности каждого дублета рабочего вида колебаний предложено использовать данные «холодных» измерений относительно максимального изменения резонансной частоты каждого дублета при изменении фазы коэффициента отражения рассогласованной нагрузки.

2. Исследована зависимость ширины полосы синхронизации магнетрона от параметров неоднородности, вводимой между прибором и ферритовым циркулятором. Показано, что наибольшая ширина полосы синхронизации достигается при величине фазы коэффициента отражения неоднородности, совпадающей с величиной фазы коэффициента отражения рассогласованной нагрузки, при которой происходит резкое изменение

частоты магнетрона, работающего в генераторном режиме. Ширина этой полосы увеличивается при увеличении КСВн рассогласователя. Однако при дальнейшем увеличении КСВн происходит разрыв в полосе синхронизации.

3. Выполнена серия экспериментальных исследований работы магнетрона миллиметрового диапазона, которые являются методологической основой разработки усилителя миллиметрового диапазона на базе магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом. В частности, обоснована необходимость подбора значений параметров неоднородности, вводимой между прибором и циркулятором, только при такой величине тока магнетрона, при которой он в генераторном режиме обеспечивает требуемый уровень выходной мощности.

4. Построена численная математическая модель магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, в основу которой положено совместное решение уравнений движения, уравнения Лапласа, уравнения Пуассона, уравнения возбуждения волнового уравнения при использовании метода крупных частиц. В модели учтено, что при работе в режиме синхронизации электронное облако группируется под действием ВЧ поля резонаторной системы, которое является суммой ВЧ поля, обусловленного наведением электронным облаком, и ВЧ поля входного сигнала. Поскольку частота на выходе магнетрона в режиме синхронизации совпадает с частотой входного сигнала, в качестве критерия реализации этого режима в магнетроне предложено использовать условие равенства нулю величины сдвига фаз между ВЧ напряжением входного сигнала и ВЧ током, наведенным электронным облаком.

5. Разработан алгоритм расчета электрических параметров магнетрона, работающего в режиме синхронизации. Он предполагает определение величины сдвига фазы между ВЧ полем, обусловленным наведением сгруппированным электронным облаком, и ВЧ полем входного сигнала, при котором реализуется в магнетроне режим синхронизации. При этом для определения параметров сгруппированного электронного облака могут использоваться уже имеющиеся численные модели магнетрона в генераторном режиме и соответствующее программное обеспечение.

6. Проведен расчет и анализ электрических характеристик магнетрона миллиметрового диапазона в режиме синхронизации входным сигналом. Делается вывод об аналогии характеристик магнетрона, работающего в этом режиме, и характеристик усилителей магнетронного типа, в частности, амплитрона. Предложено проводить оценку диапазона усиливаемых частот магнетрона в режиме синхронизации с использованием тех же критериев, что, и усилителей магнетронного тока, т.е. при величине анодного тока, постоянной в диапазоне усиливаемых частот, и при заданном уровне входной мощности в полосе частот должна обеспечиваться требуемая величина коэффициента усиления. При таком подходе полоса усиливаемых частот оказывается меньше полосы синхронизации.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Бахтеев И.Ш. Экспериментальное определение мощности обратной электронной бомбардировки катода мм-диапазона / И.Ш. Бахтеев, Е.И. Булдаков, Х.Д. Качаев, H.A. Коплевацкий// Гетеромагнитная микроэлектроника. 2009. №7. С.109-112.

2. Бахтеев И.Ш. Электронное смещение частоты в магнетонах миллиметрового диапазона /И.Ш. Бахтеев, A.A. Терентьев, М.А. Фурсаев// Гетеромагнитная микроэлектроника. 2011. №11. С.73-78.

3. Бахтеев И.Ш. Прогнозирование ширины полосы синхронизации магнетронов миллиметрового диапазона /И.Ш. Бахтеев, М.А. Фурсаев//. Вестник Саратовского технического университета. 2012. №3. С. 28-31

4. Бахтеев И.Ш. Увеличение полосы усиливаемых частот комплексированного устройства на синхронизированном магнетроне, работающем в миллиметровом диапазоне /И.Ш. Бахтеев// Вестник Саратовского технического университета. 2012. №3. С. 31-33

В других изданиях

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

6. Бахтеев И.Ш. Методика расширения полосы синхронизации магнетрона мм-диапазона /И.Ш. Бахтеев, Е.И. Булдаков, Х.Д. Качаев// Актуальные проблемы электронного приборостроения: матер. Междунар. науч.-техн. конф. Саратов. 2010. С.ЗЗ 1-335.

7. Бахтеев И.Ш. Некоторые особенности классических магнетронов поверхностной волны /И.Ш. Бахтеев, Е.И. Булдаков//. Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ. 2010. С.22-26.

8. Бахтеев И.Ш. Усилительный магнетрон мм-диапазона в режиме захвата частоты для РЛС гражданского назначения /И.Ш. Бахтеев// Инновационные и актуальные проблемы техники и технологии: матер, всеросс. науч,-практич.конф. молодых ученых. Саратов. 2010. Т.1. С. 310-313.

9. Bachteev I. S. Extension of the locking bandwidth of the magnetron Ka-band /I.S. Bachteev, V.P. Eremin, A.V, Lyashenko, M.A. Fursaev//. 13-th IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC). Monterey,CA, USA, Pp. 213214.

10. Бахтеев И.Ш. О «холодной» и «горячей» внешней добротности магнетронов поверхностной волны /И.Ш. Бахтеев, В.П. Еремин, H.A. Коплевацкий, В.В. Мосолкин//. Электронные приборы и устройства СВЧ: матер, науч.-техн. конф. Саратов. 2012. С.33-37.

11. Бахтеев И.Ш. Оценка величины связи дублетов резонаторной системы магнетронов мм-диапазона с нагрузкой /И.Ш. Бахтеев, М.А. Фурсаев//

Актуальные проблемы электронного приборостроения:, матер. Междунар. науч.-техн. конф. Саратов. 2012. С 216-219.

12. Бахтеев И.Ш. Моделирование процессов электронно-волнового взаимодействия в магнетронном генераторе с учетом влияния сигнала синхронизации. И.Ш. Бахтеев, A.C. Ершов// Актуальные проблемы электронного приборостроения: матер. Междунар. науч.-техн. конф. Саратов. 2012. С 42-45.

Подписано в печать Формат 60x84

22.05.13

Бум. офсет. Тираж 100 экз.

Усл. печ. л. 1,0 Заказ 180

1/16 Уч.-изд. л. 0,9 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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

04201 360391

БАХТЕЕВ Игорь Шамильевич

УВЕЛИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ УСИЛИВАЕМЫХ ЧАСТОТ МАГНЕТРОНА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА В РЕЖИМЕ СИНХРОНИЗАЦИИ

На правах рукописи

щ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Фурсаев Александр Михайлович

Саратов 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................4

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ПОСТРОЕНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ СИНХРОНИЗИРОВАННОГО МАГНЕТРОНА..............................................11

1.1 Электровакуумные усилители миллиметрового диапазона...............11

1.2 Работа магнетрона в режиме синхронизации.........................................16

1.3 Особенности электродинамики и электроники магнетронов миллиметрового диапазона..............................................................................21

1.4 Выводы.............................................................................................................26

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНЕТРОНА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА С УЧЕТОМ РЕАЛИЗАЦИИ РЕЖИМА СИНХРОНИЗАЦИИ............................................28

2.1 Конструкция исследуемого магнетрона..................................................28

2.2 Исследование электродинамической системы магнетрона

миллиметрового диапазона..............................................................................32

2.3 Исследование электрических характеристик магнетрона в

генераторном режиме..........................................................................................36

2.4 Исследование электрических характеристик магнетрона в режиме синхронизации.....................................................................................................47

2.5 Выводы.............................................................................................................55

ГЛАВА 3 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МАГНЕТРОНА В РЕЖИМЕ СИНХРОНИЗАЦИИ ВХОДНЫМ СИГНАЛОМ............................................................................................................58

3.1 Основные положения используемой модели генераторного режима магнетрона............................................................................................................59

3.2 основы моделирования работы магнетрона в режиме синхронизации входным сигналом..............................................................................................64

3.3 Особенности алгоритма моделирования работы магнетрона в режиме синхронизации входным сигналом.................................................................68

3.4 Результаты расчета и анализа электрических характеристик

магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом72

3.5 Выводы.............................................................................................................79

ГЛАВА 4 УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА НА БАЗЕ МАГНЕТРОНА РАБОТАЮЩЕГО В РЕЖИМЕ СИНХРОНИЗАЦИИ..............................................................................................82

4.1 Конструкция усилительного устройства миллиметрового диапазона ..................................................................................................................................82

4.2 Методика определения параметров рассогласующей диафрагмы.....84

4.3 Результаты исследования электрических характеристик усилительного устройства................................................................................87

4.4 Выводы.............................................................................................................94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................97

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................101

ВВЕДЕНИЕ

Тенденция развития современной радиолокации связано с освоением высокочастотных диапазонов волн (короткие сантиметры и миллиметры). Эта тенденция связана со стремлением увеличить избирательность и точность радиолокационных систем, а также пропускную способность средств связи при одновременном снижении массогабаритных характеристик радиоэлектронных систем и их энергопотребления.

Избирательность радиолокационной станции (РЛС), которую принято определять как совокупность разрешающих способностей по каждой из координат, быстро растет с уменьшением длины волны, а этот параметр чрезвычайно важен, так как он определяет помехозащищенность РЛС. Растет также и точность измерения координат, в частности угловых. С другой стороны, в случаях, где можно ограничиться не слишком высокими требованиями к точности измерения координат и помехозащищенности, переход к более высоким частотам позволяет уменьшить размеры антенны, относительную полосу частот излучаемых сигналов и длительность импульсов [1].

Как известно, ЛБВ (лампы бегущей волны) и клистроны находят широкое применение в различных сферах военного и коммерческого назначения. Но при переходе в миллиметровый диапазон конструктивно-технологические проблемы создания ЛБВ и клистронов резко возрастают. Для ЛБВ основная причина - это уменьшение поперечных размеров замедляющей системы ЛБВ и соответственно диаметра ее пролетного канала, что приводит к сложностям формирования и сопровождения электронных пучков, получения эффективного взаимодействия вследствие снижения величины первеанса электронного пучка и необходимости решения проблем теплоотвода от спирали. Тепловые нагрузки при продвижении в коротковолновую область возрастают вследствие увеличения распределенных потерь и токооседания, а элементы, в которых выделяется и по которым отводится тепло, становятся все миниатюрнее.

При создании клистронов миллиметрового диапазона также приходится преодолевать целый ряд проблем, которые характерны ЛБВ этого диапазона. Кроме того прибавляется трудности по реализации требуемой широкополосности.

ЛБВ и клистроны в миллиметровом диапазоне длин волн имеют весьма высокую стоимость, а по массогабаритным параметрам их практически невозможно использовать в мобильных, а тем более в бортовых РЛС. Это сдерживает их широкое применение в передающих устройствах таких РЛС [2].

Анализ возможных вариантов использования ЛБВ и клистронов в миллиметровом диапазоне показывает, что все они в классическом исполнении на уровне выходной мощности 1000-1500 Вт будут иметь высокое напряжение питания: для клистронов (8-12 кВ), а ЛБВ (порядка 20 кВ). Поэтому в качестве низковольтного усилителя имеет перспективу использование магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, тем более что разработанные к настоящему времени магнетроны миллиметрового диапазона характеризуется весьма высокими эксплуатационными показателями [2].

Магнетрон до сих пор остается широко применяемым источником мощности в передатчиках космических аппаратов, высокоточного оружия, промышленных установках СВЧ-нагрева, бытовых печах и медицинской аппаратуре. Основными достоинствами магнетрона являются высокий КПД, низкое анодное напряжение, простота конструкции и производства, надёжность, а также малые размеры, масса и стоимость [2-20]. Модуляторы и источники питания для магнетронов, в отличие от лучевых ламп, сравнительно просты и недороги.

Существенной проблемой для магнетронов всегда являлось обеспечение стабильности частоты генерации. Для ее решения в конце 40-х годов были предложены синхронизированные магнетроны как более эффективная альтернатива ЛБВ и клистронам в тех применениях, где необходима когерентность и высокое качество спектра выходного сигнала наряду с

высоким КПД. Усилители на синхронизированных магнетронах являются возможной альтернативой ЛБВ или клистронам в таких системах, где требуется когерентность в узкой полосе частот, компактные размеры, высокий КПД и достаточно большая долговечность. Теоретическому и экспериментальному исследованию режима синхронизации магнетронов посвящено весьма много работ зарубежных и отечественных авторов [21-37]. Однако в очень малом числе работ рассматривался режим его синхронизации в миллиметровом диапазоне [38-39]. В теоретических исследованиях использовались лишь приближенные модели магнетрона. Между тем электронные процессы и электродинамика магнетронов миллиметрового диапазона существенно отличаются от электроники и электродинамики магнетронов сантиметрового и дециметрового диапазонов. Это должно отражаться на условиях их работы в режиме синхронизации в миллиметровом диапазоне, в частности, на обеспечение ими максимально возможной полосы усиливаемых частот.

Для успешного решения задач по созданию усилителей на магнетроне, в том числе в миллиметровом диапазоне, важное значение имеет разработка численных методов моделирования работы этого прибора в режиме синхронизации входным сигналом. Подобные модели нашли широкое применение при создании как ЛБВ и клистронов, так и магнетронов, работающих генераторном режиме [40-59].

Следовательно, актуальными задачами являются поиск путей создания в миллиметровом диапазоне частот низковольтного усилителя высокого уровня мощности с низкими требованиями к источнику анодного питания и достаточно широкой полосой усиливаемых частот на базе магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, а также разработка численной модели его работы в этом режиме.

Целью диссертационной работы является определение условий, обеспечивающих увеличение полосы частот усилителя высокого уровня мощности миллиметрового диапазона на базе магнетрона, работающего в

режиме синхронизации входным сигналом, и поиск путей практической реализации этих условий, а также разработка численной модели для расчета электрических характеристик такого усилителя.

В работе решаются следующие задачи:

1. Экспериментальные исследования по определению условий, обеспечивающих увеличение диапазона усиливаемых частот усилителя миллиметрового диапазона на магнетроне, работающего в режиме синхронизации, и поиск путей их практической реализации.

2. Разработка методики прогнозирования диапазона усиливаемых частот магнетроном миллиметрового диапазона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, по результатам «холодных» измерений и динамических испытаний в генераторном режиме.

3. Создание численной математической модели магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, обеспечивающей расчет электрических характеристик прибора при его работе в этом режиме.

4. Реализация конструктивного решения, обеспечивающего увеличение полосы усиливаемых частот усилителя миллиметрового диапазона на магнетроне, работающего в режиме синхронизации входным сигналом.

5. Разработка принципов построения усилительного устройства с увеличенным диапазоном усиливаемых частот на магнетроне, работающем в режиме синхронизации входным сигналом.

Научная новизна работы:

1. Показано, что при прогнозировании полосы синхронизации магнетронов миллиметрового диапазона, работающих на дублете вида колебаний, отличающегося от я-вида, нельзя использовать резонансную кривую рабочего вида колебаний.

2. Показано, что увеличение полосы синхронизации магнетрона достигается при включении между его выходом и ферритовым циркулятором рассогласованного элемента с фазой коэффициента отражения, совпадающей с фазой коэффициента отражения рассогласованной нагрузки, при которой происходит резкое изменение частоты магнетрона, работающего в генераторном режиме, при изменении ее этой фазы.

3. Реализован описанный в п.2 подход к увеличению полосы синхронизации магнетрона в конструктивное решение усилительного устройство миллиметрового диапазона с увеличенной полосой усиливаемых частот на этом приборе.

4. Построена численная модель магнетрона, работающего в режиме синхронизации, и на ее основе разработано программное обеспечение расчета электрических характеристик синхронизированного магнетрона.

Достоверность результатов и выводов диссертации подтверждается применением апробированных методик измерения и аттестованной аппаратуры при экспериментальных исследованиях, корректного применения методов моделирования и соответствием результатов моделирования экспериментальным данным, реализацией результатов исследования при конструировании промышленных образцов усилительных устройств.

На защиту выноситься следующие положения и результаты:

1. Малое разделение резонансных частот дублетов рабочего вида колебаний резонаторной системы магнетрона миллиметрового диапазона, отличающегося от 7Г-вида, не позволяет прогнозировать его ширину полосы синхронизации по резонансной кривой рабочего вида колебаний.

2. Максимальный диапазон усиливаемых частот усилительного устройства на синхронизированном магнетроне достигается при той фазе коэффициента отражения рассогласованного элемента, включаемого между выходом прибора и ферритовым циркулятором, при которых имеет место

резкое изменение генерируемой частоты магнетрона, когда изменяется фаза рассогласованной нагрузки.

3. Численная математическая модель магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, и результаты расчета его электрических характеристик, выполненные на базе этой модели.

4. Принцип построения усилительного устройства миллиметрового диапазона с увеличенной полосой усиливаемых частот на магнетроне, заключающийся в том, что между выходом магнетрона и ферритовым циркулятором включены две пластины. Одна из которых обеспечивает фазу коэффициента отражения, а другая КСВн, при величинах которых достигается максимальная полоса усиливаемых частот

5. Методика оперативного определения геометрических параметров пластин, включаемых между выводом энергии магнетрона и ферритовым циркулятором, с целью увеличения полосы усиливаемых частот усилительного устройства миллиметрового диапазона, использующего этот прибор.

Теоретическую значимость имеют разработанная математическая модель магнетрона, работающего в режиме синхронизации входным сигналом, и результаты расчета его электрических характеристик на базе этой модели.

Практическую значимость имеют методика прогнозирования полосы синхронизации магнетронов миллиметрового диапазона, работающих на дублете вида колебаний резонаторной системы, отличного от тс-вида; предложения включения между выводом энергии магнетрона и ферритовым циркулятором двух пластин с определенными геометрическими параметрами с целью увеличения полосы усиливаемых частот усилительного устройства миллиметрового диапазона на магнетроне, работающего в режиме синхронизации входным сигналом; реализация этого предложения в конструкции таких усилительных устройств; методика определения

геометрических параметров таких пластин, позволяющая сократить время этой технологической операции.

Личный вклад автора

- проведение теоретических и экспериментальных исследований;

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

- обработка, анализ и обобщение полученных результатов. Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации

докладывались на 4 научно-технических конференциях: международной

научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного

приборостроения АПЭП» (Саратов, 2010, 2012); Всероссийских научно-

практических конференциях молодых ученых «Инновации и актуальные

th

проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010); 13 IEEE International Vacuum Electronics Conference IVEC 2012 (Monterey, 2012), а также на научных семинарах кафедры «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета и научно-технических советах в ОАО «НИИ Тантал», ООО «ОКБ Приборостроения».

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, опубликованы в 12 печатных работах (статьях, текстах докладов), в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения, изложена на 106 страницах, содержит 54 рисунков, 19 таблиц, список использованной литературы включает 87 наименований.

ГЛАВА 1

ОБОСНОВАНИЕ ПОСТРОЕНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ СИНХРОНИЗИРОВАННОГО

МАГНЕТРОНА.

1.1 Электровакуумные усилители миллиметрового диапазона

В радиолокационных и телекоммуникационных системах диапазона 30220 ГГц с выходной мощностью от нескольких сотен ватт до единиц киловатт передатчики строятся с использованием электровакуумных приборов (ЭВП), к числу которых относятся ЛБВ, клистроны, магнетроны, гироприборы. По уровню выходной мощности они превосходят полупроводниковые приборы. Так на частотах 30-100 ГГц обеспечивается следующий уровень выходной непрерывной мощности: ЛБВ - единицы киловатт, клистронами и магнетронами - сотни ватт, гироприборами - мегаватты [2].

Сложности построения ЭВП миллиметрового диапазона волн связаны, прежде всего, с уменьшением размеров пространства взаимодействия и