Техника СВЧ

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 Технико-экономическое обоснование проекта

Общее кризисное состояние всей экономики страны еще в боль­шей степени относится к технике СВЧ, так как она в основном питалась военными заказами. Поэтому в настоящее время основной задачей этой области техники является развитие применений ее в мирных целях. Эти применения могут быть связаны с переработкой информации (телевидение, связь, новые направления в медицине и биологии) и с преобразованием энергии (ускорители заряженных частиц, нагрев плазмы, диэлектриков, преобразование солнечной энергии). Наиболее важным в настоящий момент являются применения, направленные на развитие новых технологий и новых производств. Это прежде всего касается использование СВЧ для нагрева диэлектриков в различных целях.

Наиболее широкая область применения техники СВЧ - ее исполь­зование в бытовых целях, например производство магнетронов для бытовых микроволновых печей. Однако в этой области иностранные фирмы ушли далеко вперед и без серьезных вложений наша промыш­ленность не сможет с ними конкурировать.

В этих условиях более целесообразным представляется развитие технологических применений более мощных приборов СВЧ (более кВт), в создании и производстве которых наша страна занимает передовые позиции. Для разнообразных технологических процессов (сушки, размо­раживания, вулканизации, пастеризации, спекания, разрушения твердых веществ, обжига и многих других) требуется мощность от единиц до сотен киловатт в непрерывном режиме. Применение микроволн позво­ляет оптимизировать технологический процесс, достичь высокого ка­чества продукта при минимальных энергозатратах и меньшей металлоем­кости технологического устройства. Использование электроэнергии позволяет разумно и эффективно тратить природные энергоресурсы (газ, нефть, уголь), не нанося дополнительного экологического вреда. Наиболее экономично применение более коротковолнового диапазона, так как мощность, выделяемая при нагреве диэлектрика пропорциональна частоте.

Специфическим требованием к приборам для промышленного применения отвечают мощные магнетроны непрерывного действия. Они относительно дешевы, обладают высоким КПД, сравни­тельно просты в эксплуатации и устойчивы к изменениям согласования с нагрузкой. Однако в коротковолновом диапазоне (12.5см) и при мощно­стях свыше 1кВТ они обладают рядом недостатков, обусловленных особенностью их работы. В указанном диапазоне длин волн не выпускают магнетроны мощностью свыше 10 кВт. Ограничения по мощности в магне­тронах связаны с тем, что потери выделяются непосредственно на аноде и катоде, которые образуют пространство взаимодействия. Размеры пространства взаимодействия ограничены длиной волны. Вследствие обратной бомбардировки катода сокращается срок службы прибора. При мощностях свыше 1кВТ необходимо водяное охлаждение. Это создает неудобства в эксплуатации и сокращает срок службы из-за выхода из строя каналов охлаждения.

В связи с указанным недостатком магнетронов для технологиче­ских целей стали разрабатывать многорезонаторные клистроны. У кли­стронов продольный размер коллектора не связан с длиной волны. Поэтому при мощностях до 10 кВт может быть использовано воздушное охлаждение. Применение воздушного охлаждения предпочтительнее также в связи с тем, что горячий воздух используется для дополнитель­ного подогрева продукта. Разрабатываемые клистроны имеют мощность 25-50 кВт при КПД=45-50% в диапазоне 2450 МГц (1). Наибольшие успехи достигнуты в создании многолучевых клистронов . Клистроны , разработанные отечественной промышленностью позволили достигнуть больших успехов в снижении ускоряющего напряжения и стоимости. По сравнению с магнетронами многолучевые клистроны позволяют значительно увели­чить долговечность и выходную мощность в коротковолновом диапазоне (12.5см) при тех же, что и у магнетронов, величинах КПД и напряжениях. Однако даже многолучевые многорезонаторные клистроны уступают магнетронам по габаритам, весу, стоимости. Эти недостатки связаны с большим количеством резонаторов. Во многом количество резонаторов определяется стремлением получить большие значения коэффициента усиления и полосы, а в случае автогенератора их число может быть уменьшено.

Для технологических целей возможно применение автогенерато­ров вместо усилителей. При этом требования полосы и усиления отпа­дают и становится целесообразной разработка автогенераторных кли­стронов с малым числом резонаторов и большим КПД. Также автогенера­торы будут лишены упомянутых недостатков по сравнению с магнетро­нами, а отмеченные выше преимущества клистронов тогда более ярко проявляются. Однако выпускаемые до сих пор одно- и двухрезонаторные клистроны имеют в лучшем случае КПД около 30%, а обычно значительно ниже.

В связи со сказанным возникает задача заменить применяемый в многорезонаторных клистронах процесс преобразования постоянного электрического тока в переменный с помощью каскадного группирования другим эффективным процессом, не требующим большого количества резонаторов.

Эффективное группирование может происходить в результате взаимодействия электронов с полем резонатора при больших углах полета и больших амплитудах напряжения. При этом вместо большого числа резонаторов может быть использовано всего два или даже один резонатор, что позволяет снизить габариты, массу и стоимость приборов.

До сих пор нет сведений о создании хотя бы экспериментальных приборов, использующих протяженные пространства взаимодействия в резонаторах. Для создания таких приборов, на кафедре электронных приборов в течении последних лет, были проведены расчет и анализ электронных процессов при больших углах пролета.

Основная задача этих работ состоит в повышении примерно в два раза (на 25-30%) КПД однорезонатарных и двухрезонаторных клистронов и доведения КПД примерно до 60%.

В соответствии со сказанным определяются следующие основные этапы настоящей работы:

Проведение аналитического обзора по опубликованным работам и проведенным на кафедре электронных приборов.

Ознакомление с методами расчета электронных электродинамических процессов, внесение уточнений при выборе вычислительных параметров и развитие этих методов в связи с возникающими задачами.

Расчет и анализ электронных процессов, что является основной задачей проекта.

Рассмотрение принципов построения генераторов и эскизное проектирование прибора.

В современных условиях разработка новых приборов должна вестись с использованием максимального числа уже разработанных узлов и деталей, поэтому проектирование прибора ведется на базе разработанной в НИИ "Исток" многолучевой электронно-оптической системы. Последние обстоятельство определило данные проектируемого прибора. Подводимая мощность определяется параметрами двадцатичетырехлучевой ЭОС с микропервеансом одного луча Рм=0.3 мкА/В^3/2 и напряжением U₀=8 кВ, Р₀=41 кВт. При общем КПД не менее 55% выходная мощность составляет 22-25 кВт. Диаметр пролетного канала 3.5 мм, коэффициент заполнения 0.6 при идеализированных условиях в пролетном канале. Расчет проводился на частоте 2450 МГц.

Дипломный проект носит чисто исследовательский характер, поэтому количественно определить экономический эффект невозможно.

2.1. Взаимодействие электронного потока с входным резонатором.

Эффективность взаимодействия электронов с полем зазора резонатора принято характеризовать коэффициентом электронного взаимодействия M:

где q - угол пролета электронов во входном зазоре.

Из этого выражения следует, что лучшее взаимодействие будет происходить при q близком к нулю. Рассмотрение процессов с точки зрения осуществления прибора в целом приводит к заключению, что желательно получение максимальной величины М²r, где - характеристическое сопротивление резонатора. Почти во всех приборах, в которых происходит взаимодействие электронов с полем зазора, используются углы пролета q₁£p/2, так как при этом величина М близка к 1, а М²r»mах на рис.2.1 обозначена область I значений q, обычно применяемых в приборах.

Но параметр М не является единственным, по которому следует определять рабочую область. Очень важна относительная величина первой гармоники конвекционного тока I_1max/I₀ . Надо стремиться получить это значение наибольшим для получения хорошего КПД прибора. Также важным фактором является КПД зазора, который пропорционален электронной проводимости с обратным знаком. Особенно это очевидно для схем автогенераторов, в которых первый резонатор самовозбуждается. В дальнейшем, вероятно, более целесообразно использовать другие параметры, характеризующие электронный ток и его взаимодействие с СВЧ полем. Можно использовать коэффициент качества, включающий относительную величину минимальной скорости электронов.