Электродинамика анодной замедляющей системы коаксиального магнетрона с реактивным подавлением щелевого вида колебаний Текст научной статьи по специальности «Физика»

Электродинамика анодной замедляющей системы коаксиального магнетрона с реактивным подавлением щелевого вида колебаний

Рассмотрена одна из широко применяемых разновидностей магнетрона — коаксиальный магнетрон (КМ). Выделен один из наиболее мешающих видов колебаний — щелевой вид. Рассмотрены применяемые методы подавления щелевого вида колебаний — реактивный, диссипативный и комбинированный. Показана возможность усовершенствования рекомендаций по реактивному способу подавления щелевого вида колебаний. Показан основной недостаток диссипативного способа подавления — существенное влияние на добротность рабочего вида колебаний, приводящее к падению КПД. Проведен сравни-тельный анализ законов группировок щелей связи различной конфигурации для реактивного "разрушения" щелевого вида колебаний. Рассмотрена неоднородная разнорезонаторная система, эквивалентная при оценке "разруше-ния" анодной замедляющей системе (АЗС) КМ со щелями связи различной конфигурации. Проанализирован применяемый метод расчета "разрушения" и оценки относительных потерь щелевого вида колебаний. Исправлены вы-явленные ошибки. По полученным формулам проведено расчетное сравнение различных способов группировки щелей Ключевые сикха коаксиапьшй связи. Проведен анализ полученных результатов, включающий рассмотрение распределения ВЧ поля щеле-

магнетрон, щелевой вид, реактивное вого вида колебаний по резонаторам и спектр пространственных гармоник при различных типах группиров-

подавление, полевой метод, анодная ки. Приведены рекомендации для закона группи-ровки щелей связи, обеспечивающего наибольшее "разру-

замедляющая система. шение" щелевого вида колебаний.

Омиров А.А.,

аспирант 3го года обучения кафедры "Лазерные и микроволновые информационные системы" Московского Государственного Института Электроники и Математики

В радиолокации магнетроны получили широкое распространение благодаря высокому КПД, простоте источника питания, массогабаритным параметрам, а также сравнительно невысокой стоимости. Наиболее широко применяемые модификации — классический магнетрон (равнорезонаторный со связками и разнорезонаторный) и коаксиальный магнетрон (КМ).

КМ обладает значительно лучшими показателями стабильности благодаря возможности селективного подавления поглотителями мешающих видов колебаний. При этом в КМ рабочему виду колебаний соответствует ряд нерабочих — нерабочие виды колебаний стабилизирующего резонатора, запоршневой вид колебаний, кольцевые резонансы, щелевой вид колебаний. Наибольшие трудности связаны с подавлением последнего вследствие сложности оперативного контроля его электродинамических параметров.

В силу этого задача подавления щелевого вида колебаний, называемого также длинноволновым ? видом (ДПВ), в настоящее время является актуальной для разработчиков КМ. Его мешающее воздействие (флуктуации фронта импульса, уходы частоты от импульса к импульсу, пропуски) связано с тем, что потенциал синхронизации ДПВ меньше, чем у рабочего вида колебаний, а потери во внешней нагрузке отсутствуют.

Известны три способа подавления щелевого вида колебаний — диссипативный (или активный), реактивный и комбинированный.

Диссипативный способ реализуется установкой поглотительной керамики у конца щелей связи. В отсутствие группировки щелей связи требуется весьма сильное перекрытие щелей связи поглотительной керамикой, которая влияет не только на щелевой, но и на рабочий вид колебаний. Известно, что в некоторых КМ (например, МИ-463), где применяется диссипативный метод подавления щелевого вида колебаний, при постановке керамики наблюдается падение добротности рабочего вида колебаний на величины до 45%. Столь сильное ухудшение параметров рабочего вида колебаний в современных условиях не оправдано.

Реактивное "разрушение" спектра пространственных гармоник

высокочастотного поля щелевого вида колебаний реализуется объединением щелей связи различного профиля в группы. Использование щелей связи различной формы эквивалентно нарушению однородности резонаторной системы, что, как известно, приводит к увеличению количества пространственных гармоник в суммарном высокочастотном поле, вследствие чего уменьшается амплитуда синхронной (конкурирующей) гармоники. Также увеличивается интенсивность низших по отношению к основной пространственных гармоник, и происходит рост излучения в торцевые полости колебательной системы.

Наибольшее распространение в современных КМ имеет комбинированный способ подавления щелевого вида колебаний. Применение реактивного "разрушения" спектра пространственных гармоник высокочастотного поля ДПВ позволяет уменьшить необходимое для стабильной работы магнетрона перекрытие щелей связи поглотительной керамикой. Комбинированный способ подавления позволяет минимизировать в системе уровень диссипативных потерь ДПВ и уменьшить по сравнению с активным способом потери рабочего вида колебаний Н011 стабилизирующего резонатора через щели связи.

Анализ научных работ и патентов показал, что с момента реализации идеи КМ к проблеме реактивного подавления ДПВ прилагаются значительные усилия разработчиков. Примером могут служить предложения, высказанные в [1, 2, 3], однако в силу слабого уменьшения парциального вклада конкурирующей гармоники в интегральное высокочастотное поле конкурирующего вида колебаний, либо из-за негативного влияния на рабочий вид колебаний большая часть из них применения на практике так и не нашла.

В [4] проведен анализ известных законов группировки щелей связи и предложен метод оценки "разрушения" спектра пространственных гармоник высокочастотного поля при их использовании. Там же показано, что задача оценки "разрушения" спектра пространственных гармоник высокочастотного поля ДПВ требует нахождения проводимости щелей связи, однако в единственной известной методике [5], применимой для этих целей, существуют ошибки. В настоящей работе предпринята попытка устранения этих ошибок.

Автор [5] рассматривает щели связи как участки шлейфа. Щель связи при этом делится на три части: два короткозамкнутых шлейфа в обоих аксиальных направлениях от резонаторов анодной замедляющей системы (АЗС) и участок, находящийся на уровне высоты анода, который не участвует в расчете (рис. 1).

логичной системе. В [4] приведены известные в литературе законы группировок щелей связи: по случайному закону, 4 группы по 4 щели связи ("4г+4п+4г+4п", г—гантельные щели связи, п — прямоугольные щели связи), и предложенные в [3] - "3г+2п+3г+3п+2г+3п" и две группы щелей связи.

В качестве модели для сравнения различных типов группировки щелей связи был взят реально выпускаемый магнетрон 2-см диапазона длин волн, имеющий следующие параметры:

Анализ позволил установить, что формулы для расчета щелей связи преобразованы из выражений, приведенных в [6] для расчета резонаторов прямоугольной и сложной (в частности, типа "щель-отверстие") форм замедляющей системы магнетрона. Оказалось, что неверные результаты расчета по этой методике связаны с ошибками при использовании автором работы [5] для обозначения проводимостей в некоторых местах величины В, а в некоторых — У (У = |У, ^ =4~\ ), что в нескольких местах привело к потере мнимой единицы |. Также выявлен ряд других арифметических ошибок.

Исправленные формулы методики Э.Д. Шлифера для расчета параметров щелевого вида колебаний принимают следующий вид: — для шлейфа прямоугольной формы:

У = -У

ШЛ 1и

• соі

2П„.

У =

1шл

Я« =

І

377

Я

раб

V1 - Яраб 1 Якр }

(1)

(2)

(3)

где 1сг — толщина периферийной стенки АЗС; ^ра6 — рабочая длина волны; А, — критическая длина волны в щели связи;

—для шлейфа сложной (в частности, гантельной) формы:

іап

У = У

± ШЛ ±1и

2п1'

У-

Уіи

1 -

У.

У

іап

ґ2жІ/Л

У?

І

377 2пгт

+2 X

30 (кг0те ) т=1

2

3т (Ктв )

3 'т {Ктв )

число резонаторов N = 32;

радиус анода га = 4.2 мм;

радиус по резонаторам расчетная частота п вида АЗС ширина щели связи радиус отверстия в щели гантельной формы готв = 1 мм; высота щели связи

гр = 8.4 мм;

Ї=13294 МГц; 1щ = 0.7 мм;

1щ = 13 мм.

Первоначально найдена глубина "закрытых" резонаторов, эквивалентных "открытым" резонаторам с различными по форме щелями связи, и расчетная частота щелевого вида колебаний при щелях связи одинаковой формы. Критическая длина волны для щелей связи гантельного профиля определялась из [7]. Далее, согласно полевому методу, описанному в [6], рассчитывались потери "разрушенного" различными группировками щелей связи ДПВ. Полученные данные представлены в табл. 1 и на рис. 2.

Таблица 1

Потери при различных группировках щелей связи

(4)

(5)

где к — волновое число свободного пространства; Jo, Jm — функции Бесселя порядков 0 и т соответственно.

Получив метод нахождения глубины больших резонаторов раз-норезонаторной системы, эквивалентной равнорезонаторной со щелями связи различной конфигурации [4], можно провести оценку "разрушения" спектра пространственных гармоник высокочастотного поля щелевого вида колебаний при использовании различных законов группировки щелей связи.

Описанные в литературе эксперименты и предложения по группировке щелей связи проводились для 32-х резонаторной системы, поэтому расчетную оценку также целесообразно проводить на ана-

Также был получен спектр пространственных гармоник высокочастотного поля щелевого вида колебаний для каждого из законов группировки. Во всех проведенных расчетах нормировка проводилась из условия равенства единице синхронной гармоники. Как и предполагалось, при группировке "4г+4п+4г+4п" в "разрушенном" спектре пространственных гармоник присутствуют только четные пространственные гармоники, а распределение высокочастотного поля по резонаторам незначительно отличается от распределения "неразрушенного" щелевого вида (рис. 3).

"Разрушение" щелевого вида при использовании группировки "3г+2п+3г+3п+2г+3п" сильнее, чем "4г+4п+4г+4п", а в спектре пространственных гармоник ВЧ поля щелевого вида колебаний присутствуют как четные, так и нечетные гармоники (рис. 4).

Рис. 2. Относительные потери щелевого вида колебаний при различных законах группировок

Я

в

Я

в

Я

в

2

номер пространственной гармоники номер резонатора

Рис. 3. Спектр пространственных гармоник и структура ВЧ поля щелевого вида колебаний в пространстве взаимодействия при группировке по закону "4г+4п+4г+4п"

номер пространственной гармоники номер резонатора

Рисі 4. Спектр пространственных гармоник и структура ВЧ поля щелевого вида колебаний в пространстве взаимодействия при группировке по закону "3г+2п+3г+3п+2г+3п"

Рис. 5. Спектр пространственных гармоник и структура ВЧ поля щелевого вида колебаний в пространстве взаимодействия при группировке по закону "5г+11п"

При разделении щелей связи на две группы реактивное подавление максимально и значительно больше, чем при других законах группировки. Как видно из таблицы 1, зависимость диссипативных потерь ДПВ от количества гантельных щелей связи является экстремальной. При рассмотренных геометрических параметрах щзлей связи максимум "разрушения" спектра пространственных гармоник высокочастотного поля ДПВ соответствует распределению щелей связи "5г+11п" (рис. 5). При такой группировке щелей связи амплитуда высокочастотного поля имеет максимум в "открытых" резонаторах со щзлями связи гантельной формы (они имеют номера 0, 2, 4, 6, 8).

Таким образом, впервые расчетно подтверждено значительно

лучшее "разрушение" щелевого вида колебаний при разделении щелей связи на две группы, при этом длинноволновых щзлей связи (глубина резонатора, эквивалентного "открытому" с такой щелью связи, больше глубины резонатора, эквивалентного "открытому" с щелью связи другого типа) меньше половины от их обшрго количества.

Результаты расчета количественно подтвердили физические представления относительно реактивного способа подавления щелевого вида колебания. Экспериментальные данные качественно подтверждают полученные результаты. Можно сделать вывод о возможности применения предложенного метода расчета для оценки "разрушения" спектра пространственных гармоник высокочастотного поля щелевого вида колебаний при применении различных законов группировки щелей связи. Использование предложенного метода позволяет существенно сократить объем экспериментов по усовершенствованию колебательной системы КМ для наилучшего подавления щелевого вида колебаний.

Литература

1. Патент США №3.034.014. Кл.315-

39.77. Приоритет в США — 1958г. Заявитель: "Bell Telephone Lab., Inc". Изобретатель: Jerom Drexler.

2. Патент США №2.976.458. Кл.315-

39.77. Приоритет в США — 1958г. Заявитель: "Bell Telephone Lab., Inc". Изобретатель: Joseph Feinstein.

3. ГуркоАА Пути и средства совершенствования параметров магнетронов миллиметрового диапазона. — диссертация на соискание ученой

степени д.т.н. — М.: МИЭМ, 2004.

4. Омаров АА, Чистяков К.И Способы подавления щелевого вида колебаний в коаксиальном магнетроне // Труды XII межвузовской научной школы молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине". — М.: МГУ, 2011. — С. 185-190.

5. Шлифер ЭД Расчет и проектирование коаксиальных и обращенно-коаксиальных магнетронов. — М.: МЭИ, 1991. — 168 с.

6. "Магнетроны сантиметрового диапазона", т.1. Перевод под редакцией С.А Зусмановского. — М.: Советское радио, 1950. — 420 с.

7. Силин РА Расчет характеристик линий передачи СВЧ // "Электронная техника, сер. СВЧ-техника", вып. 5(449), 1992. — С. 41-49.

ELECTRODYNAMICS OF A COAXIAL MAGNETRON'S RESONATOR SYSTEM WITH THE SLOT OSCILLATION MODE REACTIVE SUPPRESSION

OmirovAA

Abstract

One of widely applied magnetron versions — coaxial magnetron (CM) is considered. One of the most competing oscillation modes — a slot oscillation mode allocated. Applied methods of the slot oscillation mode's suppression — reactive, active and combined are considered. Possibility of improvement of the recommendations about a reactive way of suppression of a slot oscillation mode is shown. The main defect of an active suppression way — big negative influence on quality of the working oscillation mode is shown. The comparative analysis of the different arrangement orders of various configuration slots for the slot oscillation mode's reactive "destruction" is carried out. The non-uniform rising-sun system, which is equivalent of CM's resonator system with the different arrangement orders of various configuration slots, is considered. The applied estimation method of the slot oscillation mode's "destruction" is analyzed. The revealed errors are corrected. The comparison of the different arrangement orders of various configuration slots is spent. The results analysis of the including cons'deration of distribution HF field and a spatial harmonics spectrum of the slot oscillation mode is carried out. The recommendations for the arrangement orders of various configuration slots, which provide the slot oscillation mode greatest "destruction", are resulted.

Keywords: coaxial magnetron, the slot oscillation mode, reactive suppression, the field theory, an anode resonator system.