Для проведения вставки замедляющей системы в корпус ЛБВ на предприятии разработана и изготовлена специальная вакуумная автоматизированная установка.
Вставка замедляющей системы в корпус производится следующим образом. В этой установке на одной оси устанавливается корпус и собранная в специальной оправке замедляющая система, прикрепленная к подвижной тяге. Корпус и замедляющая система разделены тепловым экраном. После установки этих элементов для сборки опускается колпак и производится откачка с помощью вакуумной системы до давления 10-4 мм рт. ст.
После достижения вакуума корпус нагревается до требуемой температуры с помощью высокочастотных индукционных токов от специального мощного генератора. После достижения заданной температуры выключается нагрев и включается пневматическая система, которая быстро перемещает тягу с замедляющей системой и вставляет ее внутрь корпуса в определенном положении. Затем после вставки под колпак подается струя азота для быстрого остывания корпуса, собранного с замедляющей системой, после чего колпак установки поднимается и корпус извлекается из установки.
2.5. Выводы к главе II
Согласно материалу приведенному во второй главе данного дипломного проекта можно сделать следующие выводы:
1. Для получения мощности в 300 Вт в диапазоне частот 13 ГГц ± 10% при коэффициенте усиления не менее 25 дБ и рабочем напряжении 7 ÷ 8 кВ наиболее подходящей является спиральная замедляющая система, конструкционные параметры которой будут рассчитаны в следующей главе.
2. Существует 3 варианта для выбора материала спирали: медь, вольфрам и молибден. Наиболее подходящим по своим свойствам и технологии навивки является молибден. Он допускает достаточно высокие рабочие температуры и более пластичен, чем вольфрам.
3. Для осуществления эффективного теплоотвода и усиления воздействия МПФС на электронный поток применяется конструкция корпуса замедляющей системы без внутренней трубки. Такая система накладывает более жесткие требования к ее конструкции.
4. Для осуществления эффективного теплоотвода применяются керамические опоры (штабики) из оксида бериллия BeO прямоугольного сечения.
5. Для предотвращения обратной связи, а следовательно перехода ЛБВ в режим генерации, в ЗС наносится поглотитель.
6. Для осуществления эффективного теплоотвода закрепление спиральной системы осуществляется методом горячей посадки.
Глава 3. Численное моделирование ЗС
3.1 Расчет параметров замедляющей системы
При проектировании замедляющей системы большое значение имеет достоверное определение таких электродинамических параметров систем как коэффициент замедления n и сопротивление связи Rсв в рабочей полосе частот. Это особенно важно в связи с тем, что данные параметры обычно используются при анализе на ЭВМ процессов взаимодействия замедленной электромагнитной волны с электронным потоком, и поэтому от точности их определения во многом зависит результат проектирования ЛБВ.
Электродинамические параметры спиральной ЗС можно определить экспериментально. Однако, такие измерения достаточно трудоемки, особенно на начальном этапе проектирования ЛБВ, поскольку связаны с необходимостью изготовления специальных макетов, которых может оказаться достаточно много. Поэтому проблема возможности оперативного определения электродинамических параметров спиральных ЗС с необходимой точностью с помощью компьютерных программ всегда остается актуальной для разработчиков ЛБВ.
Известно, что величины замедления и сопротивления связи в широкополосной спиральной ЗС существенно зависят от многих факторов, а именно: диаметра и шага спирали; диаметра внешнего экрана; количества, размеров и материала диэлектрических стержней; а также формы и размеров элементов, создающих продольную проводимость в системе.
В этой главе будет представлена следующая работа:
1) Оценка параметров ЗС на основе линейной теории ЛБВ
2) Компьютерный расчет параметров ЗС в программе WinHelix (на основе решения дисперсионного уравнения спиральной ЗС)
3) Расчет выходных параметров ЛБВ по одномерной нелинейной программе HelixTwt.
3.2 Линейный расчет основных конструктивных параметров ЗС
Вопросам разработки инженерного метода расчета усилительной ЛБВ со спиральной замедляющей линией посвящено сравнительно большое число работ. Все эти работы основаны на линейной теории взаимодействия электронного потока с бегущей электромагнитной волной.
Проведем предварительный расчет конструктивных параметров спиральной замедляющей системы ЛБВ. Формулы расчета получены на основе аппроксимации основных результатов линейной теории, приведенной в книге , «Лампа с бегущей волной».
Исходные параметры, которым, согласно техническому заданию дипломного проекта, должна отвечать замедляющая система мощной спиральной ЛБВ:
Выходная мощность P = 300 Вт;
Диапазон частот 8÷18 ГГц;
Рабочее напряжение 7 ÷ 8 кВ;
Ток электронного пучка не более 0,5 А.
Расчет замедляющей системы проводится следующим образом:
1. Для начала определим значение ускоряющего напряжения, находящегося в пределах диапазона, указанном в техническом задании.
U0 = 7500 В.
2. На основе использования экспериментальных данных, полученных ранее, значение электронного КПД выбираем равным 15%
h = 0,15
Отсюда можно определить ток электронного пучка:
I = 0.266 А
Полученное значение тока электронного пучка меньше 0,5, что удовлетворяет требованиям технического задания.
3. Определим коэффициент замедления электромагнитной волны в замедляющей системе n для средней частоты рабочего диапазона ЛБВ f0 = 13 ГГц. Коэффициент замедления рассчитываем по формуле:
, где
nэл – коэффициент электрического замедления, соответствующее скорости электрона в пространстве взаимодействия;
b – параметр несинхронности;
C – параметр усиления Пирса.
,
nэл = 5.8312.
, где ν – скорость электронов в свободном пространстве;
ν – фазовая скорость электромагнитной волны в замедляющей системе.
nзам = 6.35
4. Исходя из заданного диапазона частот, рассчитаем средний диаметр спирали α. Диаметр спирали должен обеспечивать эффективное взаимодействие замедленной электромагнитной волны с электронным потоком в ЛБВ.
Известно, что коэффициент усиления и электронный КПД прибора достигают максимальной величины, когда обобщенный параметр распространения электромагнитной волны в замедляющей системе находится в пределах 1,0-1,5 единиц.
Известно, что квадрат фазовой постоянной распространения равен сумме квадратов обобщенного параметра распространения электромагнитной волны в замедляющей системе и параметра распространения электромагнитной волны в свободном пространстве.
, где
— фазовая постоянная распространения
— параметр распространения электромагнитной волны в свободном пространстве.
с - скорость света
Как уже говорилось ранее оптимальное значение обобщенного параметра распространения электромагнитной волны для средней частоты рабочего диапазона в замедляющей системе γa должно находиться в области от 1,0 до 1,5. В нашем случае примем параметр γa = 1,2. Следовательно, средний диаметр спирали конструируемой ЛБВ будет равен α = 1,68
5. Диаметр пролетного канала d будет равен
d = α –2 t, где t – толщина спирали проводника в мм. t = 0.2
Следовательно d = 1.28 мм
6. Рассчитаем параметр пространственного заряда g и параметра усиления С.
Для этого необходимо ввести вспомогательные переменные m и n. Они определяются по следующим графикам:
Рис. 3.1. Кривые для определения вспомогательных параметров т и п в зависимости от b/a, что эквивалентно коэффициенту заполнения k.
Выберем вспомогательные параметры m и n, с учетом того, что коэффициент заполнения k за годы проектирования ЛБВ на производстве принято считать оптимальным при значении 0,5. Соответственно вспомогательная величина m = 1.27, а n = 3.24.
, где р микропервианс 
p = 0.411
g = 1.347
C = 0.080
7. Найдем параметр несинхронности
b = 1.114
8. Сопротивление связи в замедляющей системе
Ксв = 56.393
9. Параметр погонного усиления B1
χ0 = 34.561
χ2 = 1.074
B1 = 37.525
10. Длина замедляющей системы l
Величина вносимых в замедляющую систему потерь D (дБ) и длину локального поглотителя l2
D = 40 дБ
l2 = 30 мм.
Найдем коэффициент, характеризующий уменьшение усиления, обусловленное локальным поглотителем
А1 = 17.285
l = 66.139
11. Шаг спирали
Для того чтобы найти шаг спирали необходимо ввести в расчет диаметр экрана замедляющей системы, который обусловлен диаметром спирали замедляющей системы и высотой опор на которые закрепляется эта спираль.
dэкр = 4.2 мм.
Диэлектрическая постоянная керамических опор. Поскольку керамические опоры выполняются из оксида бериллия BeO их диэлектрическая постоянная равна
ε1 = 6.5
Площадь поперечного сечения опор: s1 = 26.424
Эквивалентная диэлектрическая проницаемость ε2
ε2 = 2.090
h = 0.9
12. Геометрическое замедление
В грубом приближении, без учета дисперсии (зависимость фазовой скорости от частоты), влияния экрана и диэлектрических опор замедление в спирали можно рассчитать, учитывая только геометрические размеры самой спирали:
nгеом = 1/cosФ
, где Ф – угол наклона витков спирали к продольной оси z. Эту формулу можно переписать через a и h, где a – радиус спирали, h – шаг спирали:
Возьмем измеренные геометрические параметры спирали, полученные раннее:
a(радиус спирали) = 0,84 мм и h = 0,9 мм, подставим их в формулу для nгеом. Получим nгеом = 6,084
На самом деле nгеом не совпадает с реальным замедлением. Чтобы получить значение n, близкое к реальным, надо воспользоваться поправкой:
n = nгеом * 1,2
Получим n = 7,3 –это значение замедления, которое в дальнейшем будет проверено и подтверждено в программе WinHelix.
13 Коэффициент замедления для свободной спирали с учетом дисперсии
Так же приближенный коэффициент замедления для свободной спирали (без учета влияния диэлектрических опор и экрана ), но с учетом дисперсии можно рассчитать по формуле: 
Подставляя сюда наши значения радиуса, шага спирали в заданном диапазоне частот получим (таблица 3.1):
Частота(ГГц) | Замедление |
9 | 4.305 |
10 | 4.583 |
11 | 4.761 |
12 | 4.909 |
13 | 5.035 |
14 | 5.142 |
15 | 5.236 |
16 | 5.317 |
17 | 5.389 |
18 | 5.453 |
Эти значения n совпали со значениями, полученными с помощью расчета в программе WinHelix для свободной спирали.
Рис 3.2 Зависимость коэффициента замедления n для свободной спирали от частоты, рассчитанное на основе линейной теории в Mathcad и на основе дисперсионного уравнения в WinHelix.
14 Нахождение волнового сопротивления спирали с экраном и тремя диэллектрическими опорами
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.3 Результаты первоначального расчета основных конструкционных параметров ЗС
По результатам расчета были получены следующие конструкционные параметры мощной спиральной ЛБВ:
Средний диаметр спирали | 1,68 мм |
Диаметр пролетного канала | 1,28 мм |
Длина замедляющей системы | 66,139 мм |
Диаметр экрана замедляющей системы | 4,2 мм |
Шаг спирали | 0.9 мм |
Ширина проволоки спирали | 0,2 мм |
Ток электронного пучка 0,266 А
Коэффициент замедления 6,35
Пространственный заряд 1,444
Параметр усиления 0,080
Параметр несинхронности 1,114
Сопротивление связи 56.393 Ом
Волновое сопротивление 92,913
3.4 Численное проектирование ЗС для ЛБВ
в программе WinHelix.
XXI век – это век развития информационных технологий, связанный с ростом скоростей и производительности электронных схем, увеличения объема памяти на носителях и. т.д. С развитием вычислительных мощностей появилась возможность заранее определить выходные параметры еще не существующего прибора. Теоретический расчет дает приближенный результат, так как учесть все процессы, происходящие в приборе попросту невозможно в силу требования высоких вычислительных мощностей, либо неточности в самой теории (расхождение). Поэтому использование расчетных программ – это еще один инструмент в руках экспериментатора – разработчика.
Методика расчета дисперсионных характеристик.
Расчет зависимости коэффициента замедления и сопротивления связи от частоты для выбранной мной конструкции замедляющей системы программа WinHelix проводит в рамках модели спирально - проводящего цилиндра на основе решения дисперсионного уравнения спиральной ЗС. Вывод дисперсионного уравнения с учетом диэлектрических опор и геометрии металлических ребер, создающих продольную проводимость для спиральной ЗС дан в работе и . Однако в этих работах профиль и размеры проводника спирали не учитывались.
Поскольку в большинстве случаев для изготовления спиральных ЗС мощных ЛБВ применяется проводник с эллиптическим поперечным сечением, то учет его профиля и размеров можно провести, используя, так называемые, усредненные граничные условия. Такие условия, введенные , позволяют вместо решения сложной граничной задачи на проводниках вводить эквивалентные условия на некоторой гладкой поверхности.
В случае использования спирали, изготовленной из проводника эллиптического сечения с внутренним радиусом a, можно осуществить переход к спирали из бесконечно тонкой ленты, используя конформные отображения. В этом случае эквивалентная ширина бесконечно тонкой ленты t определяется из решения следующего уравнения
, (1)
где h, Ф – шаг и угол намотки спирали, соответственно; 2u и 2v – толщина и ширина эллиптического проводника спирали.
Характеристики спиральных ЗС в металлическом экране с диэлектрическими стержнями, обычно рассчитывают приближенными методами на основе замены реального диэлектрика эквивалентной диэлектрической трубкой, относительная диэлектрическая проницаемость которой определяется как
, (2)
где S – площадь поперечного сечения области между спиралью и экранирующей поверхностью, S0 – площадь поперечного сечения, занимаемая диэлектрическими опорами, e – относительная проницаемость диэлектрических стержней, используемых в ЗС.
В результате эквивалентных замен осуществлен переход от конструкции ЗС с металлокерамическими опорами к эквивалентной системе, в которой пространство между спиралью и экраном заполнено однородным диэлектриком с проницаемостью eэфф. Поперечное сечение эквивалентной ЗС разбивается на три области: область внутри спирали (r£a), в которой диэлектрик отсутствует e=1; область между спиралью и элементами продольной проводимости (a<r£R) с диэлектриком, имеющем e=eэфф; область между элементами продольной проводимости и экраном (R<r£d) с диэлектриком, имеющем e=eэфф.
Используя процедуру сшивания полей на границах областей эквивалентной системы в рамках модели спирально-проводящего цилиндра, записывается дисперсионное уравнение для рассматриваемой системы
(3)
где I0, I1, K0, K1 - модифицированные функции Бесселя первого и второго рода нулевого и первого порядка, соответственно;
– волновое число.
Дисперсионное уравнение (3) относительно поперечной постоянной распространения (ga) решается численно на ЭВМ. Найденное значение поперечной постоянной распространения позволяет рассчитать замедление рассматриваемой системы.
Величина сопротивления связи, характеризующая эффективность взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем замедляющей системы, для свободной спирали определяется следующим выражением
, (4)
где 
.
Влияние металлического экрана с продольно-проводящими ребрами и диэлектрических опор учитывается введением коэффициента c, связывающего сопротивление связи рассматриваемой замедляющей системы и сопротивление связи свободной спирали
.
Выражение для определения коэффициента c, полученное в [2] имеет следующий вид
Описание программы
В своем проекте я воспользовался такой программой, которая была разработана Хриткиным этой программы – WinHelix, слово Helix в переводе с английского означает “Спираль”, а приставка Win значит, что эта программа работает под операционную систему Windows. Версия WinHelix 1.0.0 означает законченную (полную) программу. В качестве замедляющей системы программа использует спираль, отсюда и название ее. Сведения о программе WinHelix 1.0.0 представлены на рис.3.3
Рис.3.3 Сведения о программе WinHelix.
Программа WinHelix оснащена удобным и вполне понятным интерфейсом, который показан на рис. IV.2.
Рис.3.4. Интерфейс программы WinHelix.
При работе с ней не возникает таких вопросов, как рассчитать, выбирать, куда нажимать и что это значит, так как все подписано и расшифровано. Режим работы программы является оконным, что характерно для многих программ, работающих под Windows (это дает гибкость в работе, т. е. вы можете параллельно загружать и работать с другими программами).
Далее приведено описание ее главного меню, кнопок, вкладок и вывод результатов, как в графическом, так и в текстовом варианте:
Главное меню содержит три кнопки: Файл, Графики, Справка. Кнопка Файл содержит: Открыть, Сохранить, Выход.
Кнопка “Графики” содержит графическое изображение пяти графиков:
1) Коэффициент замедления (зависимость от частоты).
2) Сопротивление связи на поверхности спирали (зависимость от частоты).
3) Сопротивление связи усредненное (зависимость от частоты).
4) Волновое сопротивление (зависимость от частоты).
5) Затухание (зависимость от частоты).
Для моего проекта интерес представляют первые три графика, так как с ними связан мой численный расчет.
В кнопке “Справка” находится кнопка “О программе”, которая предоставляет краткие сведения о самой WinHelix и об ее авторах.
Ниже главного меню установлены пять кнопок: “Открыть”, “Сохранить”, “Рассчитать”, “О программе”, “Выход”. Это сделано для еще большего удобства и скорости работы с программой.
Ниже, слева от пяти кнопок, находятся два вкладыша: “Общие”, “Геометрия”. “Геометрия” включает в себя восемь пунктов входных данных, которые относятся к конструктивным параметрам замедляющей системы:
1) Средний радиус спирали (в моем случае равен 0,168 см).
2) Шаг спирали (в моем случае равен 0,09 см).
3) Коэффициент заполнения (в моем случае равен 0,45).
4) Радиус сплошного экрана (в моем случае равен 0,42 см).
5) Радиус продольно проводящего экрана.
6) Количество диэлектрических опор (в моем случае 3 штуки).
7) Угловой размер опоры (в моем случае равен 40°).
8) Диаметр провода спирали (в моем случае равен 0,02 см).
На рис. показаны почти все геометрические элементы, которые надо вводить во вкладыш “Геометрия”. Отсутствует только коэффициент заполнения (3), так как он является отношением: радиус электронного пучка делим на средний радиус спирали. Диапазон коэффициента заполнения равен 0,4…0,6. На рис. IV.3. рассмотрена замедляющая система, которая участвовала в моем эксперименте.
Рис.3.5. Основные геометрические параметры ЗС.
1-Средний радиус спирали; 2-Шаг спирали; 3-Радиус электронного пучка; 4- Радиус сплошного экрана; 5-Радиус продольно проводящего экрана; 6-Диэлектрические опоры(3 штуки); 7-Угловой размер опоры; 8-Диаметр провода спирали.
Вкладыш “Общие” включает в себя четыре раздела: “Тип замедляющей системы”, “Материал спирали и экрана”, “Материал диэлектрических опор”, “Границы частотного диапазона”. В первых трех разделах нам предлагают выбрать данные из списка, а в четвертом их надо ввести. Эти разделы можно отнести к обобщенным данным о высокочастотном блоке.
Раздел “Тип замедляющей ситемы” предлагает нам выбор из семи пунктов:
1) Свободная спираль.
2) Спираль + Экран.
3) Спираль + Экран + Опоры.
4) Спираль + Продольно Проводящий Экран (ППЭ).
5) Спираль + ППЭ + Опоры.
6) Спираль + Экран + ППЭ.
7) Спираль + Экран + ППЭ + Опоры. 
Рис.3.6 Семь типов замедляющих систем (в поперечном сечение).
Расчет программой велся относительно третьего пункта(Спираль + Экран + Опоры), чтобы сравнить результаты с линейным расчетом.
Раздел “Материал спирали и экрана” разделен на два пункта: “Спираль” и “Экран”. В пункте “Спираль” надо выбрать материал спирали:
1) Молибден.
2) Вольфрам.
3) Медь.
4) Никель.
5) Серебро.
6) Золото.
В пункте “Экран” предлагают выбор материала экрана. Выбор материала спирали и экрана совпадают с 1) по 6). Для моей спирали и моего экрана был выбран материал Молибден.
Раздел “Материал диэлектрических опор” предлагает выбор из пяти пунктов:
1) Кварц.
2) Керамика 22XC9.
3) Бериллиевая керамика.
4) Нитрид бора.
5) Алмаз.
В моем эксперименте в качестве материала опор была выбрана Бериллиевая керамика (3).
Раздел “Границы частотного диапазона” предлагает ввести дипазон частот в ГГц. В нем содержатся три ячейки:
1) Нижняя (в моем случае 8 ГГц).
2) Верхняя (в моем случае 18 ГГц).
3) Шаг расчета по частоте (в моем случае 0,5 ГГц).
Ниже двух вкладышей находится табличка с результатами расчета. Показана на рис..
Рис.3.7 Таблица вывода результатов.
Справа от вкладышей расположен график, который можно выбрать в главном меню программы. Далее перейдем непосредственно к расчету электродинамических параметров замедляющей системы.
Расчет электродинамических параметров ЗС.
После ввода входных параметров ВЧ блока и нажатия кнопки “Рассчитать”, на выходе получим результат, представленный как в текстовом варианте, так и в графическом. Результат расчета программой представлен в таблице 3.2
Табл.3.2. Данные, полученные в результате расчета программой (WinHelix).
Частота(ГГц) | Замедление | Rсв на пов.(Ом) | Rсв пучка(Ом) | Затухание(дБ/м) | Волн. сопр.(Ом) |
8 | 6,174 | 140,953 | 102,8767 | 14,8717 | 122,56008 |
9 | 6,28295 | 131,5221 | 87,5154 | 16,6633 | 114,77504 |
10 | 6,37757 | 122,0585 | 73,3538 | 18,4538 | 107,50304 |
11 | 6,45766 | 113,3387 | 60,7775 | 20,239 | 100,81395 |
12 | 6,52371 | 105,0717 | 49,9447 | 22,0201 | 94,7298 |
13 | 6,57679 | 97,5336 | 40,8266 | 23,8014 | 89,23542 |
14 | 6,6183 | 90,7545 | 33,2766 | 25,5885 | 84,2921 |
15 | 6,64979 | 84,7093 | 27,0928 | 27,3868 | 79,8493 |
16 | 6,67275 | 79,3418 | 22,0622 | 29,2008 | 75,85313 |
17 | 6,69738 | 73,8617 | 18,656 | 31,8661 | 71.54530 |
18 | 6,71912 | 68,7084 | 15,7086 | 33,4018 | 68,44419 |
По данным табл.3.2. строятся пять графиков от частоты.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 |
