Подавление конкурирующих видов колебаний с помощью управляющих неоднородностей в резонаторной системе магнетрона

Подавление конкурирующих видов колебаний с помощью управляющих неоднородностей в резонаторной системе магнетрона

Ключевые слова: магнетрон, коротковолновая часть миллиметрового диапазона длин волн, вырожденный вид колебаний, подавление конкурирующих видов колебаний, управляющие неоднородности, полевой метод

Рассмотрена проблема уменьшения области существования рабочего вида колебаний по магнитному полю. Эта проблема возникает при продвижении магнетрона в коротковолновую часть миллиметрового диапазона длин вон. Предлагается применение не П-видного магнетрона типа "щель-лопатка", работающего в режиме синхронизации электронного потока с низшей пространственной гармоникой вырожденного вида колебаний N/4. Описаны преимущества такой системы перед равнорезонаторной системой, работающей в режиме синхронизации электронного потока с низшей пространственной гармоникой не П вида. Так же рассмотрен недостаток резонаторной системы типа "щель-лопатка" и способ его устранения. Показано применение методик расчета, позволяющих провести сравнение и анализ различных резонаторных систем и законов распределения управляющих неоднородностей по собственным диссипативным потерям резонаторных систем. Приведены расчетные данные, показывающие, какие законы распределения управляющих неоднородностей дают наибольший эффект подавления конкурирующих видов рассматриваемой резонаторной системы. Показано, что применение в магнетроне резонаторной системой типа "щель-лопатка" является перспективным, вследствие возможности одновременного реактивного подавления нескольких мешающих видов колебаний с помощью управляющих неоднородностей и связи этих видов с внешней нагрузкой.

Чистяков К.И.,

аспирант 3го года обучения кафедры

"Лазерные и микроволновые информационные системы"

Московского Государственного Института

Электроники и Математики

Первые магнетроны миллиметрового диапазона длин волн создавались методом масштабного моделирования систем типа "восходящее солнце" сантиметрового диапазона длин волн. Но скоро стало очевидно, что длина волны 3мм является предельной для этого пути. Попытки разработать миллиметровые низковольтные магнетроны непрерывного действия закончились отрицательным результатом [1].

Харькове проводились работы по созданию магнетрона, в котором синхронизация электронного потока осуществлялась с низшей пространственной гармоникой одного из вырожденных видов колебаний равнорезонаторной системы [2]. Преимуществом этого режима является возможность увеличения размеров пространства взаимодействия при неизменном анодном напряжении и количестве резонаторов. Реально, в силу наличия связи одного из резонаторов с выводом энергии вырождение снимается, и ВЧ поле видов колебаний в пространстве взаимодействия (за исключением нулевого и П вида) приобретает дублетную структуру. Случайный закон распределения технологических неоднородностей по величине и расположению приводит к невоспроизводимости контурного КПД магнетрона в пределах одной серии. По этой причине западные разработчики отказались от использования вырожденных видов колебаний в качестве рабочих [3].

Еще одной проблемой, связанной с режимом работы не п-вид-ного магнетрона, является высокая конкуренция со стороны нена-груженной дублетной составляющей рабочего вида колебаний и более высоковольтного вида колебаний. Как результат, у магнетронов наблюдается значительное ограничение области существования рабочего вида колебаний по магнитному полю, что приводит к падению электронного КПД.

Для повышения конкурентоспособности рабочей составляющей требуется уменьшить ее собственные диссипативные потери,

увеличить потери мешающих видов и "разрушить" их спектр пространственных гармоник. Один из вариантов уменьшения собственна диссипативных потерь системы — увеличение характеристического сопротивления резонатора за счет увеличения его угла раскры-ва ¥ [3] (рис. 1).

Резонаторной системой, дающей возможность одновременно повысить конкурентоспособность рабочей составляющей дублета и понизить ее для всех мешающих видов и мешающей составляющей рабочего вида, является система типа "щель-лопатка" работающая на виде колебаний N/4. Структура высокочастотного поля вида N/4 в рассматриваемой системе представляет собой дублет, где поле рабочей длинноволновой составляющей распределено только в лопаточных резонаторах, а мешающая коротковолновая только в щелевых. Как показали расчеты, собственные диссипативные потери такой системы уменьшились в 1,2 раза по сравнению с исходной равнорезонаторной системой (характеристики системы приведены ниже).

В результате в рассматриваемой системе поле рабочего вида колебаний надежно сориентировано относительно вывода энергии. Коротковолновая составляющая рабочего вида колебаний становится не конкурентоспособной по потенциалу синхронизации и большому разделению по частоте с рабочей составляющей.

Другим преимуществом такой системы является то, что все виды колебаний, кроме рабочей составляющей, распределены не только в лопаточных, но и в щелевых резонаторах, имеющих большие диссипативные потери, чем лопаточные, благодаря чему снижается конкуренция со стороны мешающих видов колебаний.

Рис. 1. Геометрические параметры резонаторной системы типа "щель-лопатка"

Рис. 2. Спектр пространственных гармоник (слева) и распределение высокочастотного поля (справа) нагруженной не "разрушенной" составляющей 8 вида колебаний

В качестве примера рассматривается система со следующими параметрами: N = 36, п = 9, у = 27, г = 1,3 мм, га = 2,1 мм, грез = 2,651 мм, = 0,173 мм, I = 0,551 мм, d = 0,192 мм, f = 88940 МГц. Рабочей составляющей является низкочастотная дублетная составляющая 9 вида колебаний с у = 27.

Расчеты показали, что все коротковолновые высоковольтные виды колебаний (п > N/4) сильно удалены по частоте от рабочего вида и обладают потенциалом синхронизации, близким к напряжению анода.

Однако остаются длинноволновые низковольтные виды колебаний, которые могут оказать мешающее воздействие из-за их близости по частоте и потенциалу синхронизации к рабочему виду. Эти мешающие виды имеют дублетную структуру, где поле одной из составляющей не связано с внешней нагрузкой, в результате чего, такая составляющая может иметь более предпочтительные условия генерации, чем рабочая составляющая.

Для подавления этих мешающих видов колебаний можно вносить управляющие неоднородности в щелевые резонаторы, не разрушая структуру высокочастотного поля рабочей составляющей. Это позволяет повысить стабильность работы системы при большем удалении рабочей точки от параболы критического режима.

Возможно дополнительное подавление вида N/4-1 путем внесения управляющих неоднородностей в резонаторы щелевой формы. Эти неоднородности представляют собой изменение глубин щз-левых резонаторов. Критерием сравнения влияния неоднородностей на дублетные составляющие выступают диссипативные потери резонаторной системы, метод расчета которых приведен в [4]. Для расчета так же был использован метод расчета распределения высокочастотного поля по резонаторам неоднородной резонаторной системы, приведенный в [5].

Во всех расчетах потери и амплитуда высокочастотного поля нормировались из условия равенства амплитуды синхронной гармоники единице. В конечный результат не вошли характеристики материала стенок резонаторов, так как интерес представляет относительная величина.

По результатам расчетов, управляющие неоднородности в виде увеличения глубины щелевого резонатора дали большее "разрушение" спектра конкурирующего вида, чем неоднородности в виде уменьшения глубины щелевых резонаторов на ту же величину.

Уменьшение глубины щелевого резонатора не оказывает сильного воздействия на собственные потери конкурирующих видов и уменьшает и без того малое разделение по частоте между рабочей дублетной составляющей и ближайшим конкурентом.

Таблица 1

Расчет вариантов подавления конкурирующего вида

Вариант неоднородности п £ МГц Потери, отн. ед. Разделение по частоте, МГц

Без неоднородностей 9 88940 22577(1.0) _

8 88411 40413(1.790) 528

Далее потери приводятся относительно собственных потерь рабочего вида

Две диаметральные неоднородности ± 0,1 мм (1-19-> 6, 24, 14, 32) 8 88394 1,782 546

Две диаметральные неоднородности ± 0,2 мм 8 88208 2,068 732

8’ 88411 1,790 528

в 1 и 19 резонаторах соответственно. 10 89689 5,856 713

8 88146 2,108 793

4 диаметральные неоднородности ± 0,2 мм в 1 8’ 88252 2,046 688

и 19 и в 9 и 27 резонаторах соответственно. 10 89506 5,768 566

11 89784 4,017 844

Примечания: Штрих у номера вида означает, что это высокочастотная дублетная составляющая. Номер вида колебаний без штриха соответствует низкочастотной составляющей Резонаторыі пронумерованы по часовой стрелке в порядке возрастания. Резонатор, связанный с выводом энергии, имеет нулевой номер.

Рис. 3. Спектр пространственных гармоник (слева) и распределение высокочастотного поля (справа) ненагруженной "разрушенной" составляющей 8 вида колебаний

Рис. 4. Спектр пространственных гармоник (слева) и распределение высокочастотного поля (справа) нагруженной разрушенной дублетной составляющей 10 вида колебаний

Увеличение глубины щелевых резонаторов ограничено диаметром расточки анодного блока. Однако даже если игнорировать данное ограничение, то малое увеличение глубины щелевых резонаторов практически не сказывается на уровне собственных потерь низкочастотной составляющей рабочего вида колебаний.

Увеличение глубины щелевых резонаторов приводит к серьезному искажению дисперсионной характеристики резонаторной системы в виде перехода видов колебаний с п > N/4 видов из коротковолновой ветви резонанса в длинноволновую ветвь. При дальнейшем увеличении глубины щелевых резонаторов разделение по частоте между рабочим и 10 видом становится крайне малым, порядка 0,1-0,2% для одной группы щелей с одинаковыми неоднородностями, что меньше полосы резонанса рабочего вида.

Для устранения недостатков использования управляющих неоднородностей одного знака, была рассмотрена система с двумя диаметрально противоположными неоднородностями, различными по знаку и одинаковыми по модулю.

В первом случае была рассмотрена конфигурация с изменением по глубине щелевых резонаторов на 0,1 мм. Данная величина неоднородностей оказалась слишком малой, так как собственные диссипативные потери "конкурента" уменьшились. Наоборот, при

увеличении размера управляющих неоднородностей до 0,2 мм собственные потери мешающих составляющих не уменьшились по сравнению с исходной системой, а так же не упало разделение по частоте между рабочей составляющей и ближайшей конкурирующей составляющей.

Таким образом, во втором случае удалось сориентировать структуру высокочастотного поля конкурирующих видов без ухудшения характеристик исходной системы, что позволяет связать внешнюю нагрузку и составляющие дублета конкурирующих видов колебаний.

Как видно из рис. 2, не разрушенная составляющая 8 вида колебаний сильно связана с внешней нагрузкой, что позволяет в первом приближении считать ее неконкурентоспособной.

Расчеты показали, что последняя конфигурация неоднородностей приводит к появлению дублетной составляющей 10 вида колебаний (рис. 4), мало удаленной по частоте от рабочей составляющей (713 МГц). Эта составляющая имеет в спектре пространственных гармоник гармонику, номер которой совпадает с рабочим видом колебаний, что может стать причиной увеличения собственных потерь рабочего вида колебаний. Проверить результат такой связи возможно только на практике.

Для усиления эффекта разрушения конкурирующего вида были использованы две пары противоположных неоднородностей. В результате потери конкурирующих видов возросли, но так же возросла и связь между рабочей составляющей и составляющей 10 вида колебаний.

Была рассмотрена разнорезонаторная система типа "щель-лопатка", работающая на виде колебаний N/4. Применение такой системы позволяет обеспечить большие радиальные размеры пространства взаимодействия при равном количестве резонаторов по сравнению с системой типа "восходящее солнце" и увеличить потери для конкурирующих видов колебаний. Недостатком такой системы является уменьшение разделения по частоте между рабочей и конкурирующей составляющими. Однако было показано, что это возможно компенсировать за счет применения управляющих неоднородностей. Они дают возможность одновременного дополнительного реактивного "разрушения" нескольких нерабочих составляющих и ориентируют их необходимым образом для увеличения связи с внешней нагрузкой.

Это позволяет говорить о возможности улучшения характеристик магнетронов коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн путем применения в них резонаторной системы "щель-лопатка".

Литература

1. Frankel Z "IRE Trans. on Electron Devices", ED-4, p 271, 1957.

2. Еремка ВД, Кулагин О.П., Науменко ВД Разработка и исследование магнетронов в институте радиофизики и электроники им. Усикова А.Я. и радиоастрономического института НАН Украины // Радиофизика и электроника т. 9 специальный выпуск, 2004.

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

4. Чистяков КИ, Омиров АА Метод сравнения резонаторных систем магнетронов по диссипативным потерям, МИЭМ.

5. Чистяков КИ, Омиров АА Расчет неоднородной резонаторной системы магнетрона, МИЭМ.

Competing oscillation modes suppression by means of driving inhomogeneities in magnetron resonator system

Chistyakov K.I. Abstract

The problem of a working oscillation mode existence on a range decreasing magnetic field is observed. It appears at the creating short-wave part of a millimeter diapason wavelengths magnetron. Application non-n-mode "slot-sector" magnetron working in a regime of sync of an electronic stream with the lowest spatial harmonic of degeneracy oscillation mode N/4 is offered. Advantages of such system are presented. The defects of "slot-sector" resonator system and way of their elimination are observed. Results of calculate with the method gained by modification of the field method are described. This method allow to spend comparison and the analysis of various anode resonator systems and distribution laws of driving inhomogeneities. The results, which showing distribution laws of driving inhomogeneities create the greatest effect of competing mode supression of observed anode resonator system, is described. It is shown, that application in a magntron the "slot-sector" resonator system is perspective, because it allow simultaneous reactive suppression of several competing oscillation modes by means of driving inhomogeneities and connection this modes with an exterior loading.

Keywords: a magnetron, a short-wave part of a millimetre gamut wavelength, a degeneracy oscillation mode, suppress of the competing oscilation mode, driving inhomogeneities, the field method.