авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка магнетрона миллиметрового диапазона с улучшенными эксплуатационными характеристиками

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БУЛДАКОВ Евгений Ильич

РАЗРАБОТКА магнетронА миллиметрового диапазона

с улучшенными эксплуатационными характеристиками

Специальность: 05.27.02 – Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Саратов 2012

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, доцент
Захаров Александр Александрович

Официальные оппоненты: Зоркин Александр Яковлевич,

доктор технических наук, профессор,

Саратовский государственный технический

университет имени Гагарина Ю.А., профессор

кафедры «Электронное машиностроение и сварка»

Семенов Владимир Константинович,

кандидат технических наук,

лауреат Государственной премии,

ОАО «НПП «Контакт», г. Саратов,

заместитель главного инженера по научной работе

Ведущая организация: Национальный исследовательский

Саратовский государственный университет

им. Н.Г. Чернышевского

Защита состоится 4 июля 2012 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. 319.

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

Автореферат разослан «24» мая 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Димитрюк А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современная техника СВЧ характеризуется большим разнообразием типов генераторов. Среди электровакуумных приборов заметное место занимает магнетрон - один из старейших типов генераторов, обязанный своим долголетием постоянному совершенствованию конструкции и технологии изготовления, достижению все более высоких параметров.

Обширной областью СВЧ-техники, где использу­ются преимущественно магнетроны, являются компактные радиолокационные станции (РЛС) различ­ного назначения. Принципиальные преимущества и достоинства использования магнетронов миллиметрового диапазона длин волн при создании нового поколения радиолокационных станций обусловлены, в первую очередь, возможностями получения при ограниченной апертуре антенны высокой разрешающей способности по различению объектов и целей в обзорной зоне благодаря более выгодному, чем у других приборов, отношению мощности выходного сигнала к массе прибора. Создание мощных приборов миллиметрового диапазона обеспечивает эффективное наблюдение на дальностях до 5-10 км.

Исследованию миллиметровых магнетронов и улучшению их эксплуатационных характеристик и выходных параметров посвящены работы известных отечественных и зарубежных ученых: М.А. Фурсаева, В.А. Адамовича, В.П. Еремина, А.Я. Усикова, А.А. Гурко, В.Б. Байбурина, В.Д. Науменко, В.Д. Еремки, M.J. Bernstein, N.M. Kroll, Р.Г. Робертшоу, В. Е. Уилшоу и др.

Вопросы дальнейшего увеличения надежности, КПД, улучшения массогабаритных параметров, повышения эксплуатационной эффективности, в том числе экономической (снижение затрат на час эксплуатации) недостаточно изучены. Невозможность строгого аналитического решения основных уравнений приводит к необходимости использования численных методов решения и проведения исследований физических эффектов методами компьютерных и физических экспериментов.

Исходя из вышеизложенного, проблема создания мощных импульсных миллиметровых магнетронов КВЧ с улучшенными выходными параметрами и эксплуатационными характеристиками, предназначенных для работы в современных передатчиках РЛС, является актуальной в настоящее время.

Цель работы: разработка магнетрона миллиметрового диапазона, предназначенного для работы в передатчиках современных радиолокационных станций, с улучшенными выходными параметрами и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Поиск путей увеличения КПД магнетрона 2-миллиметрового диапазона.

2. Увеличение долговечности магнетрона до 2000 часов.

3. Снижение температуры электродов для повышения их надежности.

4. Уменьшение массогабаритных характеристик магнетрона.

5. Повышение воспроизводимости параметров магнетронов в условиях производства.

6. Разработка экспериментальных образцов магнетронов на основе полученных результатов расчетов и исследований.

Методы и средства исследований. При выполнении данной работы использованы основы теории вакуумной СВЧ-электроники, современные методы теоретического и экспериментального исследований и средства компьютерного моделирования. Решения задач оптимизации в условиях малой изученности теории миллиметровых магнетронов поверхностной волны, работающих в режиме синхронизации электронного потока с пространственными гармониками, базируются на экспериментальных данных и известных положениях теории приборов М-типа.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью применяемых математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов взаимодействия электронов с СВЧ- полем; хорошим совпадением полученных теоретических результатов с данными эксперимента, а также c результатами измерений созданных магнетронов на поверенной и аттестованной аппаратуре и совпадением с результатами, полученными другими авторами в области разработки магнетронов миллиметрового диапазона, опубликованными как в России, так и за рубежом.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

Разработана конструкция магнетрона 2-миллиметрового диапазона длин волн, предназначенного для работы в передатчиках современных радиолокационных станций, с улучшенными выходными параметрами и эксплуатационными характеристиками. При этом установлено:

- нанесенное на медные ламели вольфрамовое покрытие толщиной 20 мкм повышает надежность резонаторной системы и увеличивает долговечность мощных импульсных магнетронов до 1000 и более часов;

- оптимально подобранные значения толщины (ширины) ламели tл,

шага резонаторной системы L позволяют повысить КПД магнетрона

2-миллиметрового диапазона с 2,2 до 2,8-3,5%;

- корректировка геометрии резонаторной системы методом сближения резонансных частот компонент дублета рабочего вида колебаний приводит к повышению КПД, повторяемости выходных характеристик и устойчивости работы многорезонаторного магнетрона;

- разделение запускающего термокатода и вторично-эмиссионного катода не только функционально, но и конструктивно, на основной холодный и боковой вспомогательный термокатод в магнетроне 2-миллиметрового диапазона длин волн со средней выходной мощностью 3-5 Вт позволяет снизить тепловые нагрузки на основной катод и тем самым повысить надежность и долговечность устройства.

Научная новизна работы:

1. Установлена зависимость времени разрушения анодной структуры магнетрона 2-миллиметрового диапазона в зависимости от длительности импульса и скважности, позволившая разработать методику ускоренных испытаний таких магнетронов на безотказность.

2. Разработана электронно-оптическая система 2-миллиметрового магнетрона, обеспечивающая более высокую надежность по сравнению с аналогами и долговечность порядка 1000-2000 ч.

3. На основе метода совмещения резонансных частот компонент дублета рабочего вида колебаний многорезонаторного магнетрона, сущность которого заключается в изменении геометрии выходного резонатора или изменении геометрии других резонаторов, определенных специальным образом, проведена оптимизация резонаторной системы, которая привела к повышению повторяемости выходных характеристик на 20-30% и устойчивости работы многорезонаторного магнетрона.

4. Впервые предложена адаптированная к серийному производству конструкция 2-миллиметрового магнетрона со средней выходной мощностью 3-5 Вт для передатчиков современных РЛС с металлосплавным вторично-эмиссионным катодом и боковым термокатодом, обеспечивающая долговечность более 1000 часов, с улучшенными массогабаритными характеристиками.

Практическая значимость. На основании проведенных исследований и компьютерного моделирования разработана ЭОС магнетрона, обеспечивающая высокий уровень КПД. Апробирована технология нанесения тугоплавкого материала на теплонагруженные элементы конструкции для их защиты от эрозионного разрушения, не оказывающая значимого влияния на электродинамические характеристики резонаторной системы, позволившая повысить долговечность магнетрона. Увеличение КПД позволило снизить подводимую мощность и уменьшить массогабаритные характеристики источника питания. Использование средств компьютерного моделирования и разработанных конструктивно-технологических решений позволило улучшить массогабаритные характеристики магнетрона.

Результаты исследований и экспериментов использованы при разработке 2-миллиметровых магнетронов и позволили создать опытный образец магнетрона, отвечающего всем современным требованиям, предъявляемым к приборам подобного типа и класса, с характеристиками, превосходящими аналоги. Изложенный научный материал также может быть использован в учебном процессе вузов, ведущих подготовку специалистов по специальности 21010565 «Электронные приборы и устройства», а также по направлениям «Электроника и микроэлектроника» и «Электроника и наноэлектроника» (21010062 и 21010068).

Апробация работы. Работа выполнена на кафедре «Электронные приборы и устройства» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. и в ОАО «Тантал». Результаты диссертационной работы докладывались на: научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2009), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009, 2010), Всероссийской молодежной выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций (Саратов, 2009), 9-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2010), XVII координационном научно-техническом семинаре по СВЧ технике (Нижний Новгород, 2011), VII Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2012).

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, опубликованы в 11 печатных работах (статьях, текстах докладов), в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, проведении численных расчетов, необходимых для интерпретации результатов экспериментальных исследований. Представленные экспериментальные исследования проведены автором. Обсуждения полученных теоретических и экспериментальных результатов проводились совместно с соавторами научных статей. Автору диссертации принадлежит разработка основных направлений конструирования и технологии изготовления экспериментальных макетов и опытно-конструкторских образцов магнетронов. Расчеты и компьютерное моделирование проводились совместно с научным руководителем, а также с В.П. Ереминым и А.В. Ершовым.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения, изложена на 156 страницах, содержит 56 рисунков, 19 таблиц, список использованной литературы включает 169 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и решаемых проблем, изложена научная новизна. Сформулированы цель и задачи исследований, отражена практическая значимость полученных результатов, представлена апробация работы и приведены основные научные положения.

Первая глава посвящена обзору и анализу литературы по тематике исследований. Уровень энергетических параметров, требуемый во многих применениях диапазона миллиметровых волн, определяет актуальность необходимости улучшения эксплуатационных и энергетических характеристик электровакуумных приборов, в том числе магнетронов миллиметрового диапазона.

При больших уровнях мощности ЭВП являются в настоящее время единственными источниками электромагнитных колебаний во всех областях оборонного и коммерческого применения. Важность создания электронных приборов с широким интервалом реализуемых СВЧ-характеристик в этом диапазоне связана с интенсивным развитием радиолокационных и радионавигационных высокоточных систем нового поколения, современного телекоммуникационного высокоскоростного оборудования, многих направлений научного приборостроения, а также с исследованиями в области ядерной физики, развитием новых технологических методов при обработке и синтезе материалов и т.д. Стремление создать ЭВП с меньшими размерами и массами, с низкой себестоимостью является одним из основных в настоящее время при разработке всех классов приборов. Достижение этой цели базируется на внедрении новых решений, позволяющих упростить конструкцию приборов и усовершенствовать технологию их изготовления.

Результаты проведенных многолетних исследований и разработок новых образцов многорезонаторных магнетронов в различных точках диапазона ММВ показали, что применение холодных вторично-эмиссионных катодов открывает новые перспективы для приборов М-типа с большим сроком службы.

Из приведенного обзора приборов миллиметрового диапазона длин волн можно видеть, что магнетрон остается одним из лучших вакуумных СВЧ-приборов по таким параметрам как КПД и отношению мощности выходного сигнала к массе прибора. Таким образом, проблема создания мощных импульсных КВЧ-магнетронов с улучшенными выходными параметрами и эксплуатационными характеристиками, предназначенных для работы в современных передатчиках РЛС, является актуальной в настоящее время.

Во второй главе изложены результаты проведения компьютерных расчетов с использованием методов математического моделирования и программного обеспечения, созданного А.С. Ершовым и И.К. Гурьевым. Основной целью расчетов являлся обоснованный выбор конструкции прибора, обеспечивающей следующие требования: выходная мощность не менее 4 кВт, анодный ток не более 15 А при анодном напряжении порядка 15 кВ. Учитывая то обстоятельство, что магнетроны в заданном диапазоне имеют низкий КПД, дополнительной целью расчетов являлось определение путей повышения КПД прибора.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: анализ влияния конструктивных (радиус катода), эмиссионных (максимальный коэффициент вторичной эмиссии), электродинамических (волновое сопротивление, значение собственной и внесенной добротности) и других параметров на выходные характеристики, выбор конструкции прибора, обеспечивающей максимальный КПД с учетом заданных ограничений.

Учитывая предыдущие разработки и известные аналоги, была выбрана конструкция магнетрона и проведены ее расчеты (рис. 1-3).

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика Рис. 2. Зависимость выходной мощности от анодного тока
 Зависимость КПД от анодного тока -4 Рис. 3. Зависимость КПД от анодного тока

Из рисунков видно, что выходная мощность 48 кВт достигается при анодном напряжении 14,515,5 кВ. При этом анодный ток 716 А, а КПД 3,43,7 %. Таким образом, расчеты показали правильность выбранной конструкции. Выходная мощность более 4 кВт достигается при анодном напряжении 15 кВ, а анодный ток не превосходит 15 А. Положительным моментом данной конструкции является то, что рабочая точка находится далеко от режима срыва, что должно обеспечивать устойчивость работы прибора при различных флуктуациях параметров режима питания.

Анализ с помощью компьютерных методов показал следующее.

1. Предлагаемая конструкция обладает работоспособностью в соответствии с заданными техническими условиями.

2. В данной конструкции обеспечивается стабильная устойчивость работы прибора при флуктуациях параметров режима питания.

3. Найдены пути совершенствования конструкции прибора с целью повышения КПД (рис. 4-6). К ним относятся: уменьшение волнового сопротивления; увеличение индукции магнитного поля; подбор радиуса катода; увеличение собственной добротности; уменьшение внесенной добротности.

При этом открываются возможности увеличения КПД прибора до значений 5-6% при сохранении основных требований к конструкции.

 Зависимость КПД от коэффициента-5 Зависимость КПД от коэффициента-6

Рис. 4. Зависимость КПД от коэффициента вторичной эмиссии Рис. 5. Зависимость КПД от собственной добротности резонаторной системы
Рис. 6. Зависимость КПД от внесенной добротности


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.