Чурюмов р І, Грицунов А В, Старчевський Ю Л, Фролова Т І, Басрані К М, Екезлі А І, Перевертайло Р А Харківський національний університет радіоелектроніки пр Леніна, 14 , м Харків, 61166, Україна тел 8057 702-10-57, e-mail: gchuryumov @ ieeeorg

Анотація – Отримані результати математичного моделювання та експериментальна їх перевірка позво-ляють краще ЗРОЗУМІТИ фізику процесу синхронізації коливань в магнетронах і будуть корисні розробникам при створенні когерентних магнетронних генераторів з поліпшеними частотними характеристиками

I                                       Введення

Магнетронниє генератори відносяться до найбільш ефективних приладів НВЧ і мають ряд унікальних параметрів, серед яких основними є високі значення ккд, високі значення відносини генерується потужності до ваги приладу, компактність і простота конструкції і, як наслідок, відносно низька собівартість [1] Проте їх широке застосування, наприклад, в області радарних технологій обмежено недостатньою стабільністю частоти генерації, високим рівнем власних шумів, паразитних і побічних коливань, а також низькою довговічністю [2] У цьому звязку дослідження, спрямовані на поліпшення даних характеристик магнетронов постійно знаходяться в центрі уваги робника радіоелектронних систем Інтерес викликає не тільки поліпшення їх енергетичних характеристик (підвищення потужності генерації, зниження рівнів побічних регулярних та нерегулярних (шумів) коливань), а й дослідження частотних і фазових характеристик магнетронів [3], включаючи спеціальні режими їх роботи, повязані з перебудовою частоти генерації і синхронізацією генеруючих коливань [4,5]

У цьому звіті розглядаються шляхи поліпшення частотних характеристик магнетронів Дослідження повязані з аналізом і вибором конструктивних рішень і включають застосування математичних моделей магнетронов різного рівня строгості: від аналітичних до численних (двох-(2 – D) і тривимірних (3-D)), а також експериментальну перевірку отриманих теоретичних результатів

II                              Основна частина

Аналіз роботи магнетронів показує, що на відміну від відомих підходів реалізації спеціальних режимів роботи магнетронів (див, напр, [6]), інтерес представляє підхід, заснований на використанні нетрадиційної конструкції магнетрона (двохкаскадний магнетрон) [7] Для дослідження частотних характеристик двокаскадного магнетрона використовувалася конструцкція приладу з геометричними і електричними параметрами, які представлені в Табл 1 Моделювання проводилося за допомогою програми SICM 3D 301, в якій реалізована 3-D математична модель двокаскадного магнетрона Результати моделювання представлені на рис 1 Аналіз фазової угруповання замкнутого електронного потоку показав закономірності зміни фазового розташування електронних згустків (спиць просторового заряду) щодо максимумів гальмують періодів ВЧ поля при зміні електричного режиму роботи (зміні анодної напруги) кожного каскаду При цьому зміною режиму роботи зовнішнього каскаду вдається керувати амплітудою і частотою генерується магнетроном коливання [8]

Табл 1 Параметри двухкаскадного магнетрона Table 1 Two-stage magnetron parameters

Параметри

Внутрішній каскад

Зовнішній

каскад

Кількість резонаторів

12

12

Частота, МГц

3025

3025

Радіус катода, мм

5,65

14,15

Радіус анода, мм

10

11,2

Висота катода, мм

24

24

Магнітна індукція, Тл

0,25

0,25

Анодна напруга, кВ

25

25

Рис 1 Азимутальное і аксіальне розподілу електронного потоку

Fig 1 Azimuthal and axial distributions of an electron beam

Для реалізації режимів перебудови частоти генерації та / або синхронізації магнетронов може бути використаний додатковий (реактивний) висновок енергії в магнетроні Така ідея була реалізована в класичній конструкції низьковольтного магнетрона М 857 Основні геометричні та електричні параметри даного магнетрона наведені в Табл 2

Табл 2 Параметри магнетрона М 857 Table 2 М 857 magnetron parameters

Параметри

Значення параметра

Кількість резонаторів

10

Частота, МГц

9480

Радіус катода, мм

0925

Радіус анода, мм

125

Висота катода, мм

4

Магнітна індукція, Тл

0,2

Анодна напруга, кВ

058

На рис 2 показана схематично конструкція магнетрона М 857 Як видно, в даній конструкції магнетрона застосовуються два виведення енергії 3 (активний) і 4 (реактивний), які мають різну ступінь звязку з резонаторами анодного блоку 2 Основний (активний) висновок енергії 3 на відміну від реактивного виведення 4 має більш сильну звязок з резонатором і служить для виведення потужності в навантаження Реактивний висновок застосовується для перебудови частоти генерації магнетрона, а також може бути використаний для вирішення завдання подвозбужденія (або синхронізації) за допомогою зовнішнього НВЧ джерела Для 2-D математичного моделювання електронно-хвильового механізму в магнетроні такої конструкції застосовується пакет програм TULIPgm З урахуванням особливостей розподілу ВЧ поля 71 – виду в просторі взаємодії разнорезона-битим системи (типу «щілину – отвір») проведено моделювання вплив рівня зовнішнього сигналу на частотні характеристики приладу

Рис 2 Схематичне зображення магнетрона М 857: 1 – катод 2 – анод 3 – активний вихід

4 – реактивний висновок 5 – катодна ніжка

Fig 2 Schematic drawing of magnetron M 857:

1               – cathode 2 – anode 3 – active output

4 – reactive output 5 – cathode stem

III                                  Висновок

Таким чином отримані теоретичні результати вказують на принципову можливість реалізації режиму синхронізації в новій конструкції магнетрона (двокаскадної магнетрон) Експериментально і теоретично вивчені режими перебудови частоти і синхронізації 3-см низьковольтного магнетрона

IV                           Список літератури

[1] січ-енергетика Т 1 Генерування, передача, випрямлення Под ред Е Окресса – М: Изд-во Світ 1970

– 464 с

[2] Довідник по радіолокації T1 Под ред Сколнік – М: Изд-во Світ 1973

[3] І/е/с/7 Н І /, Jr Prediction of Traveling Wave Magnetron Frequency Characteristics: Frequency Pushing and Voltage Tuning Proceedings of the IRE, vol 41, 1953, pp 1631 – 1653

[4] Самсонов Д E Основи розрахунку і конструювання магнетронов – М: Изд-во Сов радіо 1974 – 324 с

[5] Taiiiri, Dexter А, Carter R Noise Performance of Frequency and Phase Locked CW Magnetrons Operated as Current Controlled Oscillators IEEE Trans On Electron Devices, vol ED-52, May 2005, pp 1345-1356

[6] Мінаєв M І Радіоперендающіе пристрої надвисоких частот – Мінськ: Вишейшая школа, 1978 – 221 с

[7] Churyumov G /, Froiova Т /, Gritsunov А V The Two-Stage Magnetron – A New Multifunctional Microwave Generator Fifth IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC2004), April 27 – 29, Monterey, California, 2004

[8] Чурюмов Г І, Фролова Т І, Гоіцунов А В, Ісаєва О Б Аналіз частотних характеристик двокаскадного магнетронного генератора В1стнік Сумського державного ун1версітету Сер1я Ф1зіка, математика, механ1ка

2004, № 10 (69), с с 249 – 255

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF FREQUENCY TUNING AND LOCK MODES OF MAGNETRONS

CliuryumovG I, Gritsunov A V, Frolova T I, Starclievskiy Yu, L, Basrawi K IV.,

Ekezii A I, Perevertayio R A

Kharkov National University of Radio Electronics Ph: +38 057 7021057, Fax:+38 057 7021013, e-mail: gchuryumov@leeeorg

Abstract-The obtained outcomes of mathematical modeling and experimental investigation allow better to understand physics of the processes of tuning frequency and phase lock in magnetrons and will be useful for the designers to create of the coherent magnetrons with the improved frequency characteristics

I                                        Introdiction

The modern researches of magnetrons are directed toward perfecting their constructions and eliminating available disadvantages, including both improving of power parameters and an investigation of frequency (or phase) characteristics [1-7]

In this paper the paths of frequency characteristics improving of the magnetrons are considered The investigations are connected with analysis and choice of new designs and include application both analytic and numerical (2-D and 3-D) models of the magnetrons as well as experimental check of the theoretical results

II                                       Main Part

An investigation is carried out for two designs of the magnetrons: a two-stage magnetron [8] and a low-voltage X-band magnetron The main electric and design parameters of the magnetrons are presented in Tabl 1 and 2 For simulation the 3-D code SICM 3D 301 (for a two-stage magnetron) and the 2-D code TULIPgm (for a low-voltage magnetron (Fig 2)) are applied The analysis of phase bunching of an re-entrant electron beam in the interaction space of the two-stage magnetron permits to understand the features of driving by amplitude and frequency of output signal (Fig 1) [9] The influence of amplitude of external signal to the frequency characteristics of the low-voltage magnetron are obtained with consideration for features of distribution of electromagnetic field of π – mode in the interaction space of resonance delay line (cavity designs: hole-and-slot)

III                                      Conclusion

Comparison of the theoretical and experimental results allows to draw a conclusion that considered designs of the magnetrons can be used for creation frequency tuning magnetrons and locked magnetrons

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р