CC BY
21
631.371
Мазур Вштор Анатольевiч, асистент
Михайлова Людмила Николаевна, канд. техн. наук, доцент
Подшьський державний аграрно-техшчний ушверситет, г. Каменец-Под№ський, Украша. Корпус №1 ПДАТУ, вул. Шевченка, 13, Кам'янець-Подiльський, Хмельницька область, Украша, 32301
АНАЛ1З ПАРАМЕТР1В Д1ОДНИХ ГЕНЕРАТОР1В, ЩО СТАБ1Л1ЗОВАН1 ЗА ЧАСТОТАМИ
ЗОВН1ШН1М РЕЗОНАТОРОМ
У радюгмпульсних дюдних генераторах, що використовуються для впливу на б1олог1чн1 об'екти рослинництва i тваринництва передбачаеться в1дносна нестабшьтсть частоти в межах 10-6...10-7. Для виконання вимоги когерентностi i стабiльностi амплтудно-фазових параметрiв в iмпульсному режимi у статтi розглянуто режим зовтшньо1 синхрон1зацИ радiоiмпульсних дюдних генераторiв високостабшьним безперервним сигналом. Розглянутi параметри генератора на лавинно-пролтнт дiодi i3 стабiлiзуючим високодоброттм об'емним резонатором вiдображаючого типу як джерела вхiдного сигналу
Ключовi слова: радШмпульсний генератор; вiдносна нестабшьнють частоти; дiоднi генератори; стабш1зуючий високодоброттй об'емний резонатор вiдображаючого типу.
Мазур Виктор Анатольевич, ассистент
Михайлова Людмила Николаевна, канд. техн. наук, доцент
Подольский государственный аграрно-технический университет, г. Каменец-Подольский, Украина. Корпус № 1 ПДАТУ, вулиця Шевченка, 13, Каменец-Подольский, Хмельницькая область, 32301
АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ДИОДНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ, СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ПО ЧАСТОТЕ ВНЕШНИМ РЕЗОНАТОРОМ
В радиоимпульсных диодных генераторах, используемых для воздействия на биологические объекты растениеводства и животноводства предусматривается относительная нестабильность частоты в пределах 10-6...10-7. Для выполнения требования когерентности и стабильности амплитудно-фазовых параметров в импульсном режиме в статье рассмотрен режим внешней синхронизации радиоимпульсных диодных генераторов высокостабильным непрерывным сигналом. В качестве источника входного сигнала рассмотрены параметры генератора на лавинно-пролётном диоде со стабилизирующим высокодобротным объемным резонатором отражающего типа.
Ключевые слова: радиоимпульсный генератор; относительная нестабильность частоты; диодные генераторы; стабилизирующий высокодобротный объемный резонатор отражающего типа.
Mazur Viktor Anatolevich, assistant
Mikhailova Lyudmila Nikolaevna, Ph.D., associate professor
Podolsky State Agricultural Technical University, Kamenetz Podolsky city, Khmelnitskiy region, Ukraina. St. Shevchenko, 13, Kamenetz Podolsky city, Khmelnitskiy region, Ukraina, 32301
ANALYSIS OF DIODE GENERATORS PARAMETERS FREQUENCY-STABILIZED BY EXTERNAL
RESONATOR
Frequency instability within 10-6...10-7 is used in radiopulse diode generators which are being used for the impact on biological objects and animal husbandry. To fulfill the requirements of coherence and stability of the amplitude and phase parameters in pulsed mode, in the article the external synchronization continuous high stability mode for radiopulse diode generators was researched. Parameters of generator which is used as input signal source were researched. Input signal source generator is based on avalanche transit time diode with a stabilizing high-quality reflective type cavity resonator.
Keywords: radiopulse generator; the relative frequency instability; diode generators; stabilizing high-quality reflective type cavity resonator.
Введение
Литературный анализ показывает, что применение информационных электромагнитных излучений в животноводстве и растениеводстве возможно с созданием импульсных диодных высокостабильных по частоте генераторов [1]. 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 [2]. Из литературных источников следует, что создание таких генераторов является сложной научно-технической задачей [3].
Анализ литературных данных и постановка проблемы
В настоящее время существуют работы [4], в которых рассматриваются методы расчёта электродинамических систем для суммирования мощности диодов в общей резонаторной системе с работой каждого диода в режиме максимальной мощности. Однако в большинстве работ недостаточно уделено внимания теории анализа синхронизирующего генератора, частота которого стабилизирована высокодобротным резонатором [5].
Цель статьи. Теоретический анализ параметров синхронизирующего диодного генератора, частота которого стабилизирована выскодобротным цилиндрическим резонатором отражающего типа.
Изложение основного материала
В качестве источника входного сигнала используем генератор на ЛПД, со стабилизирующим высокодобротным объемным отражающим резонатором (рис. 1).
Рис.1. Эскиз конструкции генератора со стабилизирующим объемным резонатором
на волне ТЕ011
Стабилизируемый генератор выполнен в виде волноводно-штыревой конструкции сечением 7,2 х 2 мм . Бескорпусной 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 1, работающий на ТЕ011 типе колебаний и включенной по схеме «на отражение». Связь резонатора с волноводной конструкцией осуществляется через отверствие связи 4.
Перестройка частоты резонатора осуществляется бесконтактным поршнем. На рис. 2 приведена эквивалентная схема ГЛПД.
В эквивалентной схеме (рис. 2) металлический стержень для крепления диода заменён Т- образной эквивалентной схемой. Эквивалентные параметры стержня представлены реактивностями ]Ха ,-]ХЬ и -¡Хс, которые определяются размерами стержня и размерами волновода. ЛПД генера-тора представлен элементами В и Х, величина которых определяется из пункта 3.2. Внешний стабилизирующий резонатор 1 характерезуется элементами Ьр, Ср, Ор. Расстояние от оси токопроводящего штыря до пло-скости отверстия связи учтено отрезком длинной линии ¡¡. Перестройка частоты стабилизирующего резонатора осуществляется бесконтактным поршнем.
Рис. 2. Эквивалентная схема генератора с внешним стабилизирующим
резонатором
Нагрузкой генератора является резонансная многодиодная электродинамическая система, характеризующая элементами Ьрн, Срн, Орн. В случае, когда все диоды включены в пучность ЭП суммирующего резонатора, то коэффициент трансформации можно считать равным единице. Расстояние от оси токопроводящего штыря до плоскости нагрузки учтено отрезком длинной линии 12. Эквивалентные параметры стержня были определены из выражений [6]
Ха ХЬ
а
2 о 22 о 2кв
^ о -
2 5 (—1 4 -2 4
V 2кУ 8 V 2кУ V 2кУ
к
^2 - 0 ту
X,
Ь
а
(—Л 2
V а у
2о Кл 11 1 + — 24
4а
7 2
V а у
^о = 1п — - 2 + 2 X
7Ш
п=3,5...
п
V Л у
к
в
1
2а ^ п к
(1)
(2)
(3)
0 , 4а 5 11 ( к ^2 (кЛ^ ю = 1П---+
2 о
— 2 3 V2а у Ь 120—
I
V а У п=3,5..
п2 -
2
2а
V к У
- п +
2 ( аЛ
п
к
а
•у/1 - (к/2а)2
характеристическое сопротивление волновода;
2
1
2
X = , = - длина волны в волноводе; X = — - длина волны в свободном
Vi - X X)2 f
пространстве; Хкр= 2а; a = 7,2 мм; b = 2мм; d =0,2 мм; X = 9,74мм; Zо = 142 Ом; X = 13,2 мм; Ха=66,11Ом; =0,586Ом.
Для определения параметров стабилизирующего резонатора были использованы выражения [7]:
ß0 h 4л
где jU0 = 4л -10- Гн / см; h — высота резонатора.
»2
LP = (5)
CP = 60~( \2~h' (6)
(Jni) h
где е0 = 8,854 • 10 —14 ф / см;
¡иП1 = 3,832 — корень функции Бесселя для волны Н011; R - радиус цилиндрического резонатора.
1 R
QP =-7—r , (7)
X(1+R) h
где Qp — добротность резонатора;
X
2
&0-J0&
а = 15,8 •1061/Ом • м -удельная проводимость латуни.
а?0 • С р
G = ——р, (8)
Qp
где G — сосредоточенная активная проводимость резонатора [8 ].
Проведенные расчёты показали, что для резонатора с размерами
R = 21мм, h = 5мм, величина параметров резонатора равна: Ср = 0,0534 пФ,
Lp = 0,5нГн ,Qр=5600, G=0,2 10-5 См.
Так как резонатор предназначен для стабилизации частоты генератора, то в рассматриваемом случае связь между резонатором и волноводной линией Ь
осуществляется щелью диаметром 8 (рис. 3.) в бесконечно тонкой стенке. Элемент связи представляет собой шунтирующую индуктивность для волноводной системы генератора, относительная проводимость которой определяется выражением [9 ]:
В^ = ± (4п • К)2
У0 пК 82 ' ^
у. 1 К а
где У 0 =-----;
0 20 К 4пК
а - ширина волноводной системы;
8 - диаметр элемента связи.
С учётом того, что при резонансе реактивная проводимость резонатора равна нулю, то величина активной проводимости резонатора G' на частоте 0)о, пересчитанная на конец волноводной линии будет определяться из уравнения [8]:
Q р
О' = о , (10)
0
^в
'вн
где Qвн - внешняя добротность резонатора.
Численный анализ определил, что для = 0,5 и 8 = 2 мм2, Ви =0,67См,
Q р
О' = 0,4 -10 5 См, а сопротивление нагрузки на конце линии /1 будет равно:
а1 + jb1 = (0,89-10-5 + Д5) Ом.
О ' - В
При реализуемом на практике предположении о малости потерь в высокочастотной цепи определим полную проводимость волновода слева и справа от плоскости включения диода. Слева со стороны резонатора проводимость определяется выражением:
У = К? о 2(1 +1801) + ] (R 2 ¿о + х 2 ¿о - ¿о 3)&0 + Х^ 2(^ 2 0 -1) + (11)
1вх1 -->2г7 2 , 2^ ~ ^г? о , г? 4+ 2 ~ j ^ ( )
где 0
(R 2 ¿о 2 + X 2 ¿о 2) + 2 Х^ +^ 2 0 Хъ
2я/1
Л
"в
Справа со стороны нагрузки проводимость определяется выражением:
У = К ¿о2(1+0+ЛК% - ?о3Щ + , 1 (12)
Увх2 = _ 2„ 2 , 7 4, 2 0 + ]Х ' (12) К ¿о + ¿о 02 Хс
'С
2^2 . о
где 02 = Л; К =- 6
Лв 6
На основании эквивалентной схемы (рис. 2) проводимость в плоскости диода будет определяться из уравнения:
У/ =--2+]-Х^-2 • (13)
(К )2+(Ха - ха )2 к )2+(Ха - ха )2
Приравнивая действительные и мнимые части (11-13), получаем систему двух уравнений относительно неизвестных /1 и /2:
2(1 + tg0l) =_-Ъ__(14)
(К 2 ¿о 2 + X 2 ¿о 2) + 2Х?о +10 ^ 20 (К/)2 +(Ха -Ха)2 [(К2¿о + X2¿о - ¿о3)%0 + XIо2(^201 -1)] +
[(К 2 ¿о 2 + Х 2 ¿о 2) + 2 Х^ Ъtg0l + ¿о г[tg 201 ] Хъ
+ [( R 2 Z0 2 + X 2 Z0 2) + 2 XZ0 3tgßi + Z0 Atg 2ß Xa - (15)
[( R 2 Zo 2 + X 2 Zo 2) + 2 XZo 3tgßi + Zo Atg 2ßi ] Xb (Rd )2 +(Xa -X^)2
Jo ' o J ' o ' o
RiZo2(i+tgß2) _ -Ri
R^Zo2 + Zo4tg2ß2 (Rd Y + (Xa - X'd )
[(R 2Zo - Zo3)tgß2] + (Ri 2Zo2 + Zo Vß) _ Xa - X'd
(Ri 2Zo2 + Zo4tg2ß2)Xc (Rd)2 + (Xa - X'd )
(16)
(17)
2
2
В результате решений системы уравнений (14-17) были получены величины длин волноводных отрезков (рис.1) 11 = 0,8см и 12 = 1,9см.
Относительная нестабильность частоты генератора определялась из соотношения[10]
га р-га А Ю
ю г га г
(18)
где га г - частота генерации; га р - частота резонатора.
Частота генерации определялась из уравнения (17), приравнивая нулю реактивную составляющую генератора. Численный анализ определил величину частоты генератора в
пределах (Ог _ 193,4237428 -109 рад. Учитывая, что круговая резонансная частота
резонатора равна 193,424 109 рад, относительная нестабильность частоты генератора составила 1,2910-6.
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 на волне типа ТЕ011 с параметрами: Я=21мм; Ь=5мм; Q=5600; G=0,2 10"5См; диаметр элемента связи резонатора с волноводной системой 2мм.
Список использованной литературы:
1. 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.
2. Касаткин Л. В. Стабилизация СВЧ-параметров стационарного синхронного режима импульсных генераторов на ЛПД. Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника[Текст]. - 2001. - Том 44, № 3. - С. 18-25.
3. Михайлова Л. Н. Определение параметров электродинамической системы многодиодного генератора крайневысокочастотного диапазона[Текст] / Л. Н. Михайлова // Вюник нацюнального техшчного ушверситету «ХП1». Новi ршення в сучасних технолопях. - 2011. - № 54. - С. 138-141.
4. Козак А. В. Анализ энергетических характеристик многодионого генератора на лавинно-пролётных диодах[Текст] / А. В. Козак, А. В. Архипов // Вестник национального технического университета "ХПИ". Сборник научных робот. Проблемы усовершенствования электрических машин и аппаратов. - 2011. - № 48 -
С. 105-110.
5. 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.
6. Коваленко В. Ф. Введение в электронику свервысоких частот / В. Ф. Коваленко. -М.:Сов. Радио. -1955. -344с.
7. Крылов Н. Н. Теоретические основы радиотехники [Текст] /Н. Н. Крылов. - М.: «Морской транспорт», 1961. - 416 с.
8. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ [Текст] / И. В. Лебедев. - М.: «Высш. школа»,1970. - 440с.
9.Теория линий передачи сверхвысокой частоты [Текст] :[перевод с английского под редакцией Шпунтова]. - М.:Сов.радио,1951. -263 с.
10.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.
Referense:
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Kovalenko V. F. Introduction to Electronics of ultra-high frequency / V. F. Kova lenko. - M., Sov. Radio, 1955. - 344 p.
7. Krylov N. N. Theoretical Fundamentals of Radiotechnics [Text] / N.N. Krylov. - M .: "Morskoy transport", 1961. - 416 p.
8. Lebedev I. V. Microwave Technics and Devices [Text] / I. V. Lebedev. - M .: "Vush. Shkola", 1970. - 440 p.
9. The theory of ultrahigh frequency lines transmission [text]: [translated from the English under the editorship of Piling] . - Moscow: Sov.radio, 1951. - 263 p.
10. 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.
Поступила в редакцию 03.08 2015 г.
