CC BY
35
631.371
СШ 1ван ¡вамович, acnipaHT
Тaврiйський державний aгротехнологiчний ушверситет, м. Мелiтополь, 3anopi3bKa область, Украша. Проспект Хмельницького, 18, Мелггополь, Зaпорiзькa область, Украша, 72310 Черенков Олександр Данилович, д-р техн. наук, проф.
Харшвський нaцiонaльний техшчний yнiверситет сiльского господарства iM. Петра Василенка, Харшв, Украша. Вул. Артема, 44, Харшв, Украша, 61002
ПАРАМЕТРИ I СТАБШНОСТЬ ЧАСТОТИ Д1ОДНОГО ГЕНРАТОРА З РЕЗОНАТОРОМ
ПРОХ1ДНОГО ТИПУ
У cmammi проведено анал1з високостабшьного по 4acmomi дiодного генератора для зовмшньо! синхронгзаци потужних радiоiмпульсних дюдних джерел. Стабшзащя частоти в генераторi на безкорпусному лавинно-пролтньому дiодi здтснюеться високодоброттм цилiндричним об'емним резонатором прохiдного типу. В результатi теоретичного анал1зу у статтi на основi еквiвалентноi схеми встановленi параметри безкорпусного дiода, визначенi величина зв'язку високодобротного цилтдричного резонатора з хвилевiдною системою генератора i ii конструктивн параметри.
Ключовi слова: радiоiмпульсний генератор; вiдносна нестабшьнкть частоти; дiоднi генератори; стабШзуючий високодобротнш об'емний резонатор прохiдного типу.
Сили Ивам И.ванович аспирант
Таврический государственный агротехнологический университет, г. Мелитополь, Запорожская область, Украина. Проспект Хмельницкого, 18, Мелитополь, Запорожская область, Украина, 72310 Черенков Александр Данилович, д-р техн. наук, проф.
Харьковский национальний технический университет сельского хозяйства им. Петра Василенко, Харьков, Украина. Ул. Артема, 44, Харьков, Украина, 61002
ПАРАМЕТРЫ И СТАБИЛНОСТЬ ЧАСТОТЫ ДИОДНОГО ГЕНРАТОРА С РЕЗОНАТОРОМ
ПРОХОДНОГО ТИПА
В статье проведен анализ высокостабильного по частоте диодного генератора для внешней синхронизации мощных радиоимпульсных диодных источников. Стабилизация частоты в генераторе на бескорпусном лавинно-пролётном диоде осуществляется высокодобротным цилиндрическим объемным резонатором проходного типа. В результате теоретического анализа в статье на основе эквивалентной схемы установлены параметры бескорпусного диода, определены величина связи высокодобротного цилиндрического резонатора с волноводной системой генератора и её конструктивные параметры.
Ключевые слова: радиоимпульсный генератор; относительная нестабильность частоты; диодные генераторы; стабилизирующий высокодобротный объемный резонатор проходного типа.
Sealy Ivan Ivanovych, postgraduate
Taurian Agrotechnological State University, Melitopol, Zaporzhskiy region, Ukraine. Khelnitskiy av., 18, Melitopol, Zaporzhskiy region,Ukraine, 72310 Cerenkov Aleksandr Danilovich, Dr. (Eng.) Sci., Prof.
Kharkov nacionalniy technical university of agriculture the name of Petra Vasilenko, Kharkov, Ukraina. Artema st., 44, Kharkov, Ukraina, 61002
PARAMETERS AND FREQUENCY STABILITY OF DIODE GENRATORA WITH TRANSMISSION TYPE
RESONATOR
This article is focused on analysis of the highly stability frequency diode generator for external synchronization ofpowerful radiopulse diode sources. Frequency stabilization of the generator based on at frameless avalanche transit time diode is carried out with high-quality cylindrical transmission type resonator. The theoretical analysis based on equivalent circuit allowed to determine parameters of frameless diode, type of communication between high-quality cylindrical resonator and waveguide system of generator and its design parameters.
Keywords: radiopulse generator; relative frequency instability; diode generators; stabilizing high-quality transmission type resonator.
Ввдение
Научные и практические исследования последних лет показывают, что альтернативой химическому методу защиты растений может быть метод на основе экологически безопасной и эффективной импульсной электромагнитной технологии. Угнетение насекомых -вредителей растений радиоимпульсным ЭМИ связано не только с процессов высокой
скорости нарастания температуры в объекте, но и с информационным действием ЭМП на мембраны клеток насекомых. Практические результаты показывают, что при определенных параметрах импульсного ЭМП (частота следования импульсов, скважность, мощность, частота заполнения импульсов, экспозиция) может происходить разрушение клеточных мембран и гибель насекомых [1]. Из литературного анализ следует, что применение информационных электромагнитных излучений в растениеводстве, для уничтожения вредных насекомых, возможно с созданием импульсных диодных высокостабильных по частоте генераторов [2]. Решение данной задачи возможно на основе суммированием мощностей отдельных диодов в общей электродинамической системе, работающих на применении режима внешней синхронизации генератором, стабилизированного по частоте высокодобротным объёмным резонатором проходного или отражающего типа [3]. Из литературных источников следует , что создание таких генераторов является сложной научно- технической задачей [4].
Анализ литературных данных и постановка проблемы
Проведенный анализ показал, что импульсное электромагнитное поле является наиболее эффективным средством для борьбы с вредителями-насекомами растений [5]. Получение необходимых уровней мощности в диодных генераторах возможно на основе суммирования мощностей [6]. Требования когерентности и стабильности амплитудно-фазовых параметров в сумматорах может быть реализовано в режиме внешней синхронизации (или пассивного усиления) высокостабильным непрерывным сигналом. В качестве источника высокостабильного сигнала может быть использован диодный генератор, стабилизированный высокодобротным объемным или диэлектрическим резонатором [7]. В работе [8] рассматривается использование в сумматоре мощности стабилизации частоты за счёт внешней синхронизации непрерывным сигналом, но расчёта параметров синхронизирующего генератора не приведены. Не приведен теоретический анализ параметров синхронизирующего генератора и в работе для лечения животных [9]. В работах [7] также недостаточно уделено вниманию теории анализа синхронизирующего генератора, частота которого стабилизирована высокодобротным резонатором. Таким образом, исследования и разработка радиоимпульсных электронных систем с внешней синхронизацией частоты для уничтожения личинок насекомых-вредителей растений является, несомненно, актуальной задачей.
Цель статьи. Теоретический анализ параметров синхронизирующего диодного генератора, частота которого стабилизирована выскодобротным цилиндрическим резонатором проходного типа.
Изложение основного материала
В качестве источника синхронизирующего сигнала используем генератор на ЛПД, со стабилизирующим по частоте высокодобротным объемным резонатором проходного типа (рис.1).
Рис. 1. Эскиз конструкции генератора со стабилизирующим объемным резонатором
Стабилизируемый генератор выполнен в виде волноводно-штыревой конструкции сечением 11х4мм . Диод ЛПД крепиться в волноводе с использованием металлического круглого стержня 2, ось которого параллельна вектору ЭП (в прямоугольном волноводе распространяется волна Н10). Для предотвращения возможных паразитных колебаний вне диапазона перестройки в цепь питания диода включена поглощающая нагрузка 3. В качестве внешнего стабилизирующего резонатора используется цилиндрический резонатор 5, работающий на ТЕ0ц типе колебаний и включенной по схеме «на проход». Связь резонатора с волноводной конструкцией осуществляется через отверстия связи 4.
Перестройка частоты резонатора осуществляется бесконтактным поршнем. На рис. 2 приведена эквивалентная схема синхронизирующего ГЛПД.
-]ХС
1
и
)Ха
1
я
р-п
Ор/Ьр
ж,
сп
¡>-4
-о-
1
Рис. 2. Эквивалентная схема генератора с внешним стабилизирующим резонатором
В эквивалентной схеме (рис.2) металлический стержень для крепления диода заменён Т- образной эквивалентной схемой. Эквивалентные параметры стержня представлены реактивностями ]Ха , и -]Хс, которые определяются размерами стержня и размерами волновода. ЛПД генератора представлен элементами Rp _ п и х р_п, величина
которых определяется расчётным путём. Внешний стабилизирующий резонатор 1 характерезуется элементами Lp, Ср, Gp. Расстояние от оси токопроводящего штыря до плоскости отверстия связи учтено отрезком длинной линии ¡¡. Перестройка частоты стабилизирующего резонатора осуществляется бесконтактным поршнем. Нагрузкой генератора является резонансная многодиодная электродинамическая система, характеризующая элементами Lpн, Срн, Gpн. В случае, когда все диоды включены в пучность ЭП суммирующего резонатора, то коэффициент трансформации можно считать равным единице. Расстояние от отверстия связи резонатора до плоскости нагрузки учтено отрезком длинной линии ¡2. Эквивалентные параметры стержня были определены из выражений [10] :
1 О 2 1 о
22
22
5 ( лх1
V -1 — 1 _-1 —I _ 21 —
8 I 22
22
4 (
к
2 Л
С 2 _ 2 С 0 2
V к J
Хс. I 0
лd а
(1)
(2)
жd
к 1 + 11
24 V а
2
2
4
а
2
а
2
4 а ^
£ 0 = 1п — - 2 + 2 У М
£ 2 = 1п---+ —
М 2 3
V 2а
п=3,5..
4а 5 11 (Я У (Я 2
У
V а У п=3,5...
-2-VЯ
п2 -
2
2а
Vя У
2(а
- п л— п
Я
(3)
(4)
2 о =
Ь
120 м
характеристическое сопротивление волновода;
дД - (Я/2 а у
Я =_Я_- длина волны в волноводе; я = — - длина волны в свободном
* л/1 - (Я/Я,,)2 I
пространстве; Хкр= 2а; а = 11мм; Ь = 4мм; d =0,5 мм; Я = 15мм; = 185 Ом; Я^ = 20,4 мм;
Ха=68,4Ом; Х—=1,85 Ом. Для определения параметров стабилизирующего резонатора были использованы выражения [11]:
Ц0 Л
1р = 4м
(5)
где /и0 = 4м -10-9 Гн / см ; Л - высота резонатора.
с р = £0
Я'
(Ит ) Л
(6)
где е0 = 8,854 -10 14 ф /см ; /иы = 3,832 - корень функции Бесселя для волны Н011; R - радиус цилиндрического резонатора.
Qp =
1
я
Х (1 + Я)
где Qp - добротность резонатора;
X =
2
а 0-^0-а
(7)
а = 15,8 -10 61/Ом - м -удельная
проводимость латуни.
„ ®0 -с р ^ =
Ql
(8)
где G - сосредоточенная активная проводимость резонатора [11 ]. Проведенные расчёты показали, что для резонатора с размерами R=32мм, h=7,5мм, величина параметров резонатора равна: Ср = 0,0845 пФ,
Ьр = 7,5нГн ,Qр=5400, Gр=0,235 10-5 См.
Так как резонатор предназначен для стабилизации частоты генератора, то в рассматриваемом случае связь между резонатором и волноводной линией ¡1
осуществляется щелью диаметром 8 (рис.1) в бесконечно тонкой стенке. Элемент связи представляет собой шунтирующую индуктивность для волноводной системы генератора, относительная проводимость которой определяется выражением[12 ]:
В,
Го
Я (4м- Я ) М 8
2
1
2
2
где y ' = — • —___—; а- ширина волноводной системы; 8 -диаметр элемента связи.
Z 0 — 4nR
С учётом того, что при резонансе реактивная проводимость резонатора равна нулю, то величина активной проводимости резонатора G' на частоте CDo, пересчитанная
на конец волноводной линии будет определяться из уравнения [12]:
G ' = G • Qp- , (10)
Q вн
где QeH - внешняя добротность резонатора.
Численный анализ определил, что для Q вн = 05 и 8 = 2 мм , B =1,24См,
Q p " '
G' = 0,47 • 10 5 См, а сопротивление нагрузки на конце линии /1 будет равно:
—i-= а1 + jb1 = (0,3 -10 "5 + j0,81) Ом.
G'- jB и
При реализуемом на практике предположении о малости потерь в высокочастотной цепи определим сопротивление нагрузки волновода слева и справа от проходного резонатора. Слева со стороны резонатора сопротивление нагрузки волновода определяется выражением[12 ]:
*1 (1 + tgp) + j[b + (Z0 - h-b- - Z-)gfih - bxtg2Ph ]
Z =_Z 0 Z 0_, (11)
ex1 1 - (2b 1 / Z ,)tgp/x + (1/ Z 20)( bx + ax )tg 2p/x
где p = —.
На основании эквивалентной схемы (рис.3.4) сопротивление в плоскости диода будет определяться из уравнения:
= Rp -n + j(-Xp -n + Xa - Xc ) . (12)
Справа со стороны резонатора нагрузка волновода определяется выражением:
Z Z 2
— + j(— - 1)cos p/2 • sin p/2 .
Z = Z z 2 z2 J ( 13)
ovl ^ fl
' вх 2 ^ 0 Z 2
—°^cos 2 p/2 + sin p/2
Z2
2n
где p =
К
Поскольку нагрузкой волноводной линии с права от резонатора является электродинамическая система с шестью диодами, то нагрузка, создаваемая системой будет определяться выражением
72 =-Я'л/6 , (14)
где Я^ — активное сопротивление корпускулярного диода 3 А762. Приравнивая действительные и мнимые части (11-14), получаем систему двух уравнений относительно неизвестных I1 и I2 :
ал (1 + tgBl^)
_^_и_= — Я ; (15)
1 — (2ЪХ /7о +1/72о(Ь + а1^2
2 2
bi + (7 0 -и-У - a^-)tgPlx - bitg 2Ph
_ (-Xp - „ + Xa - X c ); (16)
Z 0 Z 0_
•2 ,u , 2m v P-n
1 - (2b1 /Z0)tgph +1/Zzo(b1 + a1 )tg p¡1
—l
Z2 _ „ ; (17)
7 __
^0 z 2 "i
—02cos2 P¡2 + sin P¡2 Z2 Z 2
- 1) cos p¡2 • Sin p¡2
v 72 ; _ b . (18)
7 0_—^--b1
—02cos 2 f3¡2 + Sin f3¡2 7 22
В результате решений системы уравнений (15-18) были получены величины длин волноводных отрезков (рис.3.13) ¡1 _ 0,4см и ¡2 _ 13мм .
Относительная нестабильность частоты генератора определялась из соотношения [4]
®р-ш Ас
с а„
(19)
г
где аг -частота генерации; ар -частота резонатора.
Частота генерации определялась из уравнения (16), приравнивая нулю реактивную составляющую генератора. Численный анализ определил величину частоты генератора в пределах сог = 125,6638 • 109 рад. Учитывая, что круговая резонансная частота резонатора
равна 125,664 1 09рад, относительная нестабильность частоты генератора составила 1,6 10-6
Выводы
Получение относительной нестабильности частоты генератора в пределах 10-10-' степени возможно с синхронизацией частоты сумматора мощности сигналом внешнего высокостабильного генератора, у которого для стабильности частоты используется цилиндрический резонатор проходноготипа на волне типа ТЕ011 с параметрами: R=32мм, h=7,5мм, величина параметров резонатора равна: Ср = 0,0845 пФ, Lp = 7,5нГн ^р=5400,
Gр=0,23510-5 См; диаметр элемента связи резонатора с волноводной системой 2мм.
Список использованной литературы:
1.Козак А.В. Анализ энергетических характеристик многодионого генератора на лавинно-пролётных диодах[Текст] / Козак А. В., А. В. Архипов // Вестник национального технического университета "ХПИ". Сборник научных робот. Проблемы усовершенствования электрических машин и аппаратов. - 2011. - № 48 - С. 105-110.
2. Клейман А. С. Некоторые вопросы создания и применения широкодиапазонных КВЧ источников колебаний[Текст] / [Клейман Л. С., Кравченко П. А., Кучин Л. Ф. и др.] - Харьков: Украинский метрологический журнал, 1999. - № 2. - С. 20-23.
3. Касаткин Л. В. Стабилизация СВЧ-параметров стационарного синхронного режима импульсных генераторов на ЛПД. Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника[Текст]. - 2001. - Том 44, № 3. - С. 18-25.
4.Зырин С. С. Стабильность частоты и выходная мощность пролётного автогенератора с колебательной системой произвольного типа[Текст] /С. С. Зырин // Электронная техника,серия «Электроника СВЧ». - 1970. - Вып.10. - С. 30-42.
5.Дубик В. Н. Защита плодовых культур от насекомых-вредителей/В.Н. Дубик// Вестник Национального технического университета «ХПИ». - 2011. - № 12. - С. 121-129.
6. Коцержинский Б. А. Импульсные генераторы миллиметрового диапазона волн на лавинно-пролетных диодах / Б. А. Коцержинский, В. П. Тараненко, В. А. Трапезон // Известия вузов СССР, 1982. - Т. ХХ, № 10. -С. 56-64.
7. Горбачев А. В., Касаткин Л. В. Каскадное суммирование мощностей ЛПД в режиме внешней синхронизации / Касаткин Л. В. // Электронная техника. - 1982. - Вып.10. - С. 22-27.
8. Михайлова Л. Н. Определение параметров электродинамической системы многодиодного генератора крайневысокочастотного диапазона [Текст] / Л. Н. Михайлова // Вюник нацюнального техтчного ушверситету «ХП1». Новi ршення в сучасних технолопях. - 2011. - № 54. - С. 138-141.
9. Михайлова Л. Н. Применение электромагнитного поля крайневысокой частоты для лечения животных[Текст] / Л. Н. Михайлова // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2012. -
№ 1/9 (55). - С. 13-16.
10.Коваленко В. Ф. Введение в электронику свервысоких частот /В. Ф. Коваленко. - М.: Сов. Радио, 1955. -344 с.
11.Крылов Н. Н. Теоретические основы радиотехники [Текст] /Н. Н. Крылов. - М.: «Морской транспорт», 1961. - 416 с.
12.Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ[Текст] / И. В. Лебедев. - М.: «Высш. школа»,1970. - 440 с.
13. The theory of ultrahigh frequency lines transmission [text]: [translated from the English under the editorship of Piling] .- Moscow: Sov.radio, 1951.263p.
Referenses:
1. Kozak A.V. Analysis of energy characteristics of avalanche transit time diodes generator [Text] / A.V. Kozak, A.V. Arkhipov // Journal of National Technical University "KPI". Collection of scientific works. Problems of improvement of electrical machinery and apparatus. - 2011..- №.48. - P. 105-110.
2. Kleiman A. S. Questions of creation and application of wide-range UHF oscillation sources [Text] / [Kleiman A. S., Kravchenko P. A., Kuchin L. F.] - Kharkiv: Ukrainian Journal of Metrology, 1999 . - № 2. - P. 20-23.
3. Kasatkin L. Stabilization of microwave parameters of stationary synchronous mode of pulse generators in the LPD. Radio Electronics [text]. - 2001. - T. 44, № 3. - P. 18-25.
4. Zyrin S. S. The frequency stability and output power of oscillator with an oscillating system of any type [Text] /S. S.Zyrin // Electronic devices, series of "Microwave Electronics". - 1970. - Iss.10. - P. 30-42.
5. Dubik V. N. Protection of fruit plants from pests [Text] /V. N. Dubik // Jouranl of the National Technical University "KPI" . - 2011. - № 12. - P. 121-129.
6. Kotserzhinsky B.A. Pulse millimeter wave generators on avalanche-transit diodes / B.A. Kotserzhinsky, V.P. Taranenko, V.A. Trapezon // News of the universities of the USSR, 1982. - T. XX, №10. - P.56-64.
7. Gorbachev A.V., Kasatkin L.V. Cascading power addition of LPD in external synchronization mode / A.V. Gorbachev, L.V. Kasatkin // Electronic equipment. -1982. - Iss. 10. - P. 22-27.
8. Mikhailova L.N. Calculation of parameters of the electrodynamic system of ultra-high frequency diode generator [Text] / L.N. Mikhailova // Journal of the National Technical University "KPI". New solutions in modern technologies. - 2011. - №54. - P.138-141.
9. Mikhailova L.N. Application high frequency electromagnetic field in the treatment of animals [Text] / L.N. Mikhailova // Eastern European Journal of advanced technologies. - 2012. - №1. - P. 13-16.
10. Kovalenko V.F. Introduction to Electronics of ultra-high frequency / V.F. Kova lenko. - M., Sov. Radio, 1955. - 344p.
11. Krylov N.N. Theoretical Fundamentals of Radiotechnics [Text] / N.N. Krylov.-M .: "Morskoy transport", 1961.-416p.
12. Lebedev IV Microwave Technics and Devices [Text] /Y.V. Lebedev. - M .: "Vush. Shkola", 1970.-440s.
13. The theory of ultrahigh frequency lines transmission [text]: [translated from the English under the editorship of Piling] .- Moscow: Sov.radio, 1951.-263p.
Поступила в редакцию 03.08 2015 г.
