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

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Подавление конкурирующих видов колебаний
с помощью управляющих неоднородностей
в резонаторной системе магнетрона
Ключевые слова: магнетрон, коротковол
новая 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 миллиметрово
го диапазона длин вон. Предлагается применение не πвидного магнетрона типа "щельлопатка", рабо
тающего в режиме синхронизации электронного потока с низшей пространственной гармоникой вырож
денного вида колебаний N/4. Описаны преимущества такой системы перед равнорезонаторной систе
мой, работающей в режиме синхронизации электронного потока с низшей пространственной гармони
кой не π вида. Так же рассмотрен недостаток резонаторной системы типа "щельлопатка" и способ его
устранения. Показано применение методик расчета, позволяющих провести сравнение и анализ раз
личных резонаторных систем и законов распределения управляющих неоднородностей по собственным
диссипативным потерям резонаторных систем. Приведены расчетные данные, показывающие, какие за
коны распределения управляющих неоднородностей дают наибольший эффект подавления конкуриру
ющих видов рассматриваемой резонаторной системы. Показано, что применение в магнетроне резо
наторной системой типа "щельлопатка" является перспективным, вследствие возможности одновремен
ного реактивного подавления нескольких мешающих видов колебаний с помощью управляющих неод
нородностей 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 со
здавались методом масштабного моделирования систем типа "вос
ходящее солнце" сантиметрового диапазона длин волн. Но скоро
стало очевидно, что длина волны 3мм является предельной для этого
пути. Попытки разработать миллиметровые низковольтные магне
троны непрерывного действия закончились отрицательным резуль
татом [1].
Харькове проводились работы по созданию магнетрона, в кото
ром синхронизация электронного потока осуществлялась с низшей
пространственной гармоникой одного из вырожденных видов коле
баний равнорезонаторной системы [2]. Преимуществом этого ре
жима 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 колеба
ний в пространстве взаимодействия (за исключением нулевого и
π вида) приобретает дублетную структуру. Случайный закон рас
пределения технологических неоднородностей по величине и рас
положению приводит к невоспроизводимости контурного КПД маг
нетрона в пределах одной серии. По этой причине западные разра
ботчики отказались от использования вырожденных видов колеба
ний в качестве рабочих [3].
Еще одной проблемой, связанной с режимом работы не πвид
ного магнетрона, является высокая конкуренция со стороны нена
груженной дублетной составляющей рабочего вида колебаний и
более высоковольтного вида колебаний. Как результат, у магнетро
нов наблюдается значительное ограничение области существова
ния рабочего вида колебаний по магнитному полю, что приводит к
падению электронного КПД.
Для повышения конкурентоспособности рабочей составляю
щей требуется уменьшить ее собственные диссипативные потери,
126
увеличить потери мешающих видов и "разрушить" их спектр прост
ранственных гармоник. Один из вариантов уменьшения собствен
ных диссипативных потерь системы — увеличение характеристичес
кого сопротивления резонатора за счет увеличения его угла раскры
ва Ψ [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 "щельлопатка" 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 поте
ри 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 стано
вится 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 дис
сипативные потери, чем лопаточные, благодаря чему снижается кон
куренция со стороны мешающих видов колебаний.
Рис. 1. Геометрические параметры резонаторной системы типа
"щельлопатка"
TComm, #102012
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
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, n = 9, γ = 27, rк = 1,3 мм, rа = 2,1 мм,
rрез. = 2,651 мм, = 0,173 мм, l = 0,551 мм, d = 0,192 мм,
f = 88940 МГц. Рабочей составляющей является низкочастотная
дублетная составляющая 9 вида колебаний с γ = 27.
Расчеты показали, что все коротковолновые высоковольтные ви
ды колебаний (n > N/4) сильно удалены по частоте от рабочего ви
да и обладают потенциалом синхронизации, близким к напряжению
анода.
Однако остаются длинноволновые низковольтные виды колеба
ний, которые могут оказать мешающее воздействие изза их близо
сти по частоте и потенциалу синхронизации к рабочему виду. Эти
мешающие виды имеют дублетную структуру, где поле одной из со
ставляющей не связано с внешней нагрузкой, в результате чего, та
кая составляющая может иметь более предпочтительные условия ге
нерации, чем рабочая составляющая.
Для подавления этих мешающих видов колебаний можно вно
сить управляющие неоднородности в щелевые резонаторы, не раз
рушая 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/41 путем вне
сения управляющих неоднородностей в резонаторы щелевой фор
мы. Эти неоднородности представляют собой изменение глубин ще
левых резонаторов. Критерием сравнения влияния неоднороднос
тей на дублетные составляющие выступают диссипативные потери
резонаторной системы, метод расчета которых приведен в [4]. Для
расчета так же был использован метод расчета распределения вы
сокочастотного поля по резонаторам неоднородной резонаторной
системы, приведенный в [5].
Во всех расчетах потери и амплитуда высокочастотного поля
нормировались из условия равенства амплитуды синхронной гар
моники единице. В конечный результат не вошли характеристики ма
териала стенок резонаторов, так как интерес представляет относи
тельная величина.
По результатам расчетов, управляющие неоднородности в виде
увеличения глубины щелевого резонатора дали большее "разруше
ние" спектра конкурирующего вида, чем неоднородности в виде
уменьшения глубины щелевых резонаторов на ту же величину.
Уменьшение глубины щелевого резонатора не оказывает силь
ного 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
Примечания: Штрих у номера вида означает, что это высокочастотная дублетная составляющая. Номер вида колебаний без штриха соответствует низкочастот
ной составляющей. Резонаторы пронумерованы по часовой стрелке в порядке возрастания. Резонатор, связанный с выводом энергии, имеет нулевой номер.
TComm, #102012
127
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
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 диамет
ром расточки анодного блока. Однако даже если игнорировать
данное ограничение, то малое увеличение глубины щелевых резо
наторов практически не сказывается на уровне собственных потерь
низкочастотной составляющей рабочего вида колебаний.
Увеличение глубины щелевых резонаторов приводит к серьез
ному искажению дисперсионной характеристики резонаторной си
стемы в виде перехода видов колебаний с n > N/4 видов из корот
коволновой ветви резонанса в длинноволновую ветвь. При дальней
шем увеличении глубины щелевых резонаторов разделение по час
тоте между рабочим и 10 видом становится крайне малым, порядка
0,10,2% для одной группы щелей с одинаковыми неоднородностя
ми, что меньше полосы резонанса рабочего вида.
Для устранения недостатков использования управляющих неод
нородностей одного знака, была рассмотрена система с двумя диа
метрально противоположными неоднородностями, различными по
знаку и одинаковыми по модулю.
В первом случае была рассмотрена конфигурация с изменени
ем по глубине щелевых резонаторов на 0,1 мм. Данная величина
неоднородностей оказалась слишком малой, так как собственные
диссипативные потери "конкурента" уменьшились. Наоборот, при
128
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 конкурирую
щей составляющей.
Таким образом, во втором случае удалось сориентировать
структуру высокочастотного поля конкурирующих видов без ухуд
шения характеристик исходной системы, что позволяет связать
внешнюю нагрузку и составляющие дублета конкурирующих видов
колебаний.
Как видно из рис. 2, не разрушенная составляющая 8 вида ко
лебаний сильно связана с внешней нагрузкой, что позволяет в пер
вом приближении считать ее неконкурентоспособной.
Расчеты показали, что последняя конфигурация неоднороднос
тей приводит к появлению дублетной составляющей 10 вида коле
баний (рис. 4), мало удаленной по частоте от рабочей составляю
щей (713 МГц). Эта составляющая имеет в спектре пространствен
ных гармоник гармонику, номер которой совпадает с рабочим ви
дом колебаний, что может стать причиной увеличения собственных
потерь рабочего вида колебаний. Проверить результат такой связи
возможно только на практике.
TComm, #102012
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Для усиления эффекта разрушения конкурирующего вида были
использованы две пары противоположных неоднородностей. В ре
зультате потери конкурирующих видов возросли, но так же возрос
ла и связь между рабочей составляющей и составляющей 10 вида
колебаний.
Была рассмотрена разнорезонаторная система типа "щельло
патка", работающая на виде колебаний N/4. Применение такой
системы позволяет обеспечить большие радиальные размеры про
странства взаимодействия при равном количестве резонаторов по
сравнению с системой типа "восходящее солнце" и увеличить поте
ри для конкурирующих видов колебаний. Недостатком такой систе
мы является уменьшение разделения по частоте между рабочей и
конкурирующей составляющими. Однако было показано, что это
возможно компенсировать за счет применения управляющих неод
нородностей. Они дают возможность одновременного дополнитель
ного реактивного "разрушения" нескольких нерабочих составляю
щих и ориентируют их необходимым образом для увеличения связи
с внешней нагрузкой.
Это позволяет говорить о возможности улучшения характерис
тик магнетронов коротковолновой части миллиметрового диапазо
на длин волн путем применения в них резонаторной системы "щель
лопатка".
Литература
1. Frankel Z. "IRE Trans. on Electron Devices", ED4, p 271, 1957.
2. Еремка В.Д., Кулагин О.П., Науменко В.Д. Разработка и исследова
ние магнетронов в институте радиофизики и электроники им. Усикова А.Я. и
радиоастрономического института НАН Украины // Радиофизика и элек
троника т. 9 специальный выпуск, 2004.
3. "Магнетроны сантиметрового диапазона", т.1. перевод под редакци
ей Зусмановского С.А. — М.: Советское радио, 1950. — 420 с.
4. Чистяков К.И., Омиров А.А. Метод сравнения резонаторных систем
магнетронов по диссипативным потерям, МИЭМ.
5. Чистяков К.И., Омиров А.А. 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 shortwave part of
a millimeter diapason wavelengths magnetron. Application nonπmode "slotsector" 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 "slotsec
tor" 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 inhomo
geneities. 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 "slotsector" 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 shortwave part of a millimetre gamut wavelength, a degeneracy oscillation mode, suppress of the competing oscilation mode, driving
inhomogeneities, the field method.
TComm, #102012
129