Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Розрахунок магнетрону
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Курсова робота
Предмет:
НВЧ
Група:
ЕЛ-32
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"
Курсова робота
Розрахунок магнетрону
Зміст
Частина 1. Теоретичні відомості.
Теоретичні відомості. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
Історія винаходу магнетрона..................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..10
Частина 2. Розрахунок магнетрону.
2.1 Розрахунок основних функціональних вузлів . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Висновки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
Список використаної літератури. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..22
Додаток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....23
Частина 1.
1.1. Теоретичні відомості
Магнетрони - одні з перших приладів надвисоких частот і найширше поширені з приладів типу М, тобто приладів, що використовують взаємодію електронів з високочастотним полем в схрещених статичних електричному і магнітному полях. Магнетронні генератори (магнетрони) є автогенераторами резонансного типу.
Рис. 1.1. Схема циліндрового магнетрона:
а -магнетрон з резонаторами типу «щілина-отвір» і з виводом HВЧ-енергії за допомогою петлі;
б- анодний блок з резонаторами типу сектор, в якому чергуються резонатори різного розміру, і з виведенням HВЧ-енергії за допомогою щілини;
в - схема з'єднання сегментів зв'язками для отримання коливань.
З конструктивної точки зору сучасний багаторезонаторний магнетрон складається з трьох основних частин ( рис. 1.1): 1) катода; 2) анодного блоку, що містить що коливають контури, 3) виводи НВЧ-ЕНЕРГІЇ. Робоча поверхня катода розташовується строго коаксіально з робочою поверхнею анодного блоку. Діаметр катода складає значну частину (близько 50 %) діаметру робочої по- поверхні анодного блоку. Характерна особливість анодного блоку полягає в тому, що в нім розташовується велика кількість порожнин, коливальних контурів, що виконують роль (резонаторів). Форма цих порожнин (резонаторів) може бути вельми різноманітною, наприклад, щілина-отвір сектор, щілина і ін. (рис. 1.1)Кожна з порожнин резонаторів сполучена щілиною з простором катод-анод, і тому робоча поверхня анодного блоку (тобто поверхня, на яку потрапляють ті, що вилетіли з катода електрони) завжди розрізає на ряд сегментів, відокремлених одне від одного щілинами. Між цими сегментами при роботі магнетрона виникає змінна напруга високої частоти. При розробці багаторезонаторних магнетронів були експериментально виявлені «перескоки» коливань магнетрона з однієї хвилі на іншу. Ці перескоки викликалися як зміною режиму харчування, так і змінами високочастотної навантаження магнетрона. Річ у тому, що коливальна система магнетрона є замкнутим ланцюжком резонаторів. Вона є неоднорідною хвилепровідною структурою, в якій можуть існувати стоячі або біжучі хвилі. Через замкнутість системи в ній можуть розповсюджуватися тільки ті хвилі, для яких виконана умова синфазності коливань на початку і кінці коливальної системи:
N - число резонаторів в уповільнюючій системі магнетрона.
- зрушення фази на одному періоді системи.
n - номер виду коливань.
Видам коливань з однаковим по модулю значенням п відповідають однакові частоти коливань, тобто в системі існує звироднілість по частоті. Введення елементів зв'язку між окремими резонаторами порушує симетрію коливальної системи і приводить до зняття звироднілість, при цьому частоти коливань, відповідні п і - п близькі. Тому в результаті флуктуації, наприклад, анодного напруга, магнетрон може змінити частоту генерації.
Для усунення цього явища застосовуються або анодні блоки у яких послідовно чергуютьсярезонатори двох типів, або анодні блоки з однаковими резонаторами, які електрично зв'язані між собою так званими «зв'язками». Дійсно посилення зв'язку між складовими коливальної системи анодного блоку приводить до віддалення власних частот одна від одної. Тому введення елементів, що зв'язують окремі резонатори, - кілець зв'язку - приводить до збільшення стійкості роботи магнетрона. Одна з конструкцій зв'язок, що є двома металевим кільцем одне з яких сполучає між собою всі парні сегменти анодної хмари, а інше - всі непарні сегменти, показана на рис. 1.1.в.
Нормальна робота магнетрона при цьому характеризується тим, що високочастотна напруга сусідніх сегментів зрушена по фазі на 180°: це так званий тг-вид коливань. В цьому випадку в різні моменти часу одна зв'язка заряджена позитивно, інша заряджена негативно і навпаки. Тому у разі коливань тг-виду зв'язки працюють як обкладання конденсатора, збільшуючи еквівалентну місткість резонатора, що приводить до зменшення частоти коливань тг-вигляду. При коливаннях інших видів різниця фаз між сегментами коливальної системи відмінна від нуля, і в результаті по зв'язках тече струм. При цьому зв'язки працюють подібно індуктівностям, включеним паралельно індуктивності резонатора, що приводить до збільшення частоти коливань. Окрім цього, із-за протікання струму по зв'язках збільшуються втрати на будь-якому виді коливань, за винятком тг- вигляду. Це сприяє збудженню саме тг-вигляду при виникненні генерації. Окрім цього, при збудженні тільки тг-виду коливань амплітуда високочастотного поля матиме максимальне значення в порівнянні з рештою видів. Це забезпечує найбільш ефективна взаємодія електронного потоку і поля високочастотної хвилі.
Виведення НВЧ-ЕНЕРГІЇз магнетронного генератора здійснюється або на коаксіальну лінію за допомогою петлі в одному з резонаторів, або на хвилевід за допомогою щілини в одному з резонаторів (рис. 2.1а,б).
Принциповою особливістю приладів з схрещеними полями
є специфічний характер енергообміну між електронним потоком і НВЧ-ПОЛЕМ, пов'язаний із зміною потенційної енергії електронів без зміни їх кінетичній енергії. У відмінність від приладів типу Про, де в енергію НВЧ-ПОЛЯ в результаті гальмування електронного потоку переходить кінетична енергія електронів у приладах типу М джерелом НВЧ-ЕНЕРГІЇ служить потенційна енергія статичного електричного поля. В процесі взаємодії електрони, практично не міняючи своєї середньої кінетичної енергії зміщуються в область вищого потенціалу (до анода) і зменшують свою потенційну енергію, яка і переходить в енергію хвилі.
Важлива межа приладів магнетронного типу - високий к.п.д. Справа у тому, що енергообмін між пучком і полем починається при дрейфових швидкостях електронів, рівних швидкості хвилі в тій, що уповільнює системі. Ця необхідна для взаємодії синхронна швидкість
повідомляється електрону за рахунок статичних полів і не міняється в процесі взаємодії. Співвідношення між часткою потенційної енергії електрона, перехідною в енергію НВЧ-ПОЛЯ, і повною потенційною енергією, якою володів електрон при виході з катода, визначає електронний к.п.д. приладу. Оскільки повна потенційна енергія може бути досить великою (вона визначається потенціалом анода), а на створення синхронної швидкості йде невелика її частина, то к.п.д. приладів типу М може бути близький до одиниці. Високий к.п.д. у поєднанні з низьким опором електронного пучка (анодна напруга, що ділиться на струм) робить прилади магнетронного типу особливо придатними для отримання великих вихідних потужностей.
1.2. Циліндровий магнетрон: історія створення від Хелла до Буту і Рендала
Автоколивання на надвисоких частотах вперше були отримані у 1919 році в аудіоне (вакуумному тріоді) - трьохелектродній лампі що містить сітку, що управляє, між ниткою напруження і анодом. Тріод був сконструйований для роботи на низьких частотах, а СВЧ-коливання мали місце за наявності коливального руху електронів в міжелектродному просторі при позитивному потенціалі на сітці і негативному на аноді. Незабаром були відкриті і досліджені коливання в простих магнетронах - «гладкому» і з розрізним анодом, а потім в діодах - генераторах.
Магнетрон займає особливе місце серед СВЧ-автогенераторів. Історії його створення присвячено багато робіт. Показова назва одній з них, що належить перу професора історії науки Інституту Технології в джорджії Джеймсу Брайттейну - «Магнетрон і початок мікрохвильового століття».
У 1921 році Хелл опублікував роботу, в якій була показана можливість управління рухом електронів між коаксіальними циліндрами за допомогою постійного магнітного поля (регульованого ззовні), перпендикулярного до постійного електричного поля між циліндрами. З цією роботою зазвичай зв'язують відкриття магнетронного принципу коливань. Цікаво, що Брайттейн датує винахід магнетрона 1916 роком, хоча посилається на публікацію 1921 року. Подібно до одного з братів Варіан і Компфнеру, Хелл теж починав не як фізик. Він закінчив Ієльській університет за фахом грецька мова і другорядному курсу соціології, вчився декілька років в Академії в Олбене, потім повернувся в Ієль, щоб закінчити університет з вченим ступенем по фізиці. Слідує, проте, відмітити, що Хелл мав на меті створення низькочастотного могутнього генератора: у його експериментах обмотка електромагніту була включена в коливальний контур магнетрона і в анодний ланцюг, так що його магнетрон був генератором звукової частоти. Головним в експериментах Хелла було відкриття докритичного критичного і закретичного статичних режимів в магнетроні. Стало зрозуміле що і в двоелектродній лампі можна управляти електронами, відхиляючи їх магнітним полемо (до цього було відомо що лише управляє і відмикаюча дія сітки в тріоді).
Рис.1.2. Залежність струму, який проходить через магнетрон в статичному режимі при постійній напрузі від індукції магнітного поля. Над відповідними точками кривої зображені траєкторії руху електрона. При відсутності магнітного поля В=0, докретичного режиму В>Вкр, кретичному рехимі та після кретичному режимі В>Вкр
Перші НВЧ-коливання в магнетроні з гладким анодом (конструкція Хелла) були отримані в 1924 р. Жачеком. У основі роботи лежав механізм фазового сортування електронів - прискорені високочастотним полемо електрони відразу осідали на катоді. Для видалення з простори взаємодії магнетрона електронів, які в перебіг декількох періодів НВЧ-ПОЛя гальмувалися і втрачали свою енергію обертального руху, застосовувався нахил постійного магнітного поля щодо осі приладу або введення додаткових електродів на краях магнетрона (кінцеві диски). У тому ж 1924 р.
А.А. Слуцкиним і Д.С. Штейнбергом в Харківському університеті були початі роботи, які також привели до відкриття магнетронного способу створення НВЧ-КОЛИВАНЬ (ці роботи були розгорнені по пропозиції і під керівництвом професора Д.А. Рожанського).
Були розроблені магнетрони з розрізним анодом, що генерували у сантиметровому і дециметровому діапазонах довжин хвиль. Спочаткуаноди були двохрозрізні (або двохсегментні), тобто циліндровий
анод магнетрона ділився на дві частини щілинами, паралельними осі циліндра. Ці щілини складали місткість коливального контура магнетрона, а індуктивністю був металевий виток, приєднаний до половинок анода. Надалі з'явилися і багатосегментні конструкції, гідністю яких була низька анодна напруга і зменшені магнітні поля.
У 1935 р. Постумус запропонував так званий магнетрон з хвилею, що біжить (точніше це був новий режим роботи магнетрона з розрізним анодом). У цьому магнетроні кутова швидкість однієї з хвиль на які можна було розкласти високочастотне поле в коливальній системі, дорівнювала середній швидкості азимутного обертання електронної хмари. До 1940 р. було сконструйовано магнетронни є генератори цього типу, що працюють на хвилях до 75 см і довше з к.п.д. 50 % і більше. Таким чином, в магнетроні з хвилею, що біжить, вже був певною мірою закладений принцип майбутнього багаторезонаторного магнетрона. Але в магнетроні не було ще багатоконтурною коливальної системи, що складається з багатьох резонаторів, хоча ідея такого контура вже існувала. Вона вперше була запропонована в 1929 р. М.А. Бонч-бруєвічем. Приведемо початок його патенту. «У передавачах великої потужності, особливо для коротких хвиль, великі утруднення викликає пристрій коливального ланцюга останнього каскаду, а також застосування для цього каскаду великої кількості ламп, включених паралельно. Тому виявляється вигідним розбити коливальний контур на ряд окремих контурів, сполучених між собою так, щоб це з'єднання забезпечило сумісну правильну роботу всіх контурів, що входять в каскад. Для здійснення цього ланцюга в зображеному на кресленні ламповому генераторі з декількома парами катодних ламп (див.
мал. 7.7) коливальні контури включені паралельно між собою таким
чином, щоб фази в двох сусідніх контурах були зворотними». Згодом в 1935 р. М.А. Бонч-Бруєвіч, ставши керівником магнетронного проекту,повернувся до цієї ідеї.
рис.1.3 Схема багатоконтурного резонатора запропонована в патенті М.А. Бонч-Бруєвіча
Н.Ф. Алексєєв і Е.Д. Малярів під його керівництвом створили таку конструкцію магнетрона, в якій анодний блок був виконаний з цілого шматка міді і містив декілька (від чотирьох до восьми) порожнин, що грають роль резонаторів. Перші прилади генерували в безперервному режимі потужність 10 Вт на довжині хвилі 9 див. Розглянута нами вище кінематична теорія магнетрона в загальних рисах була відома і в 30-і роки.
У 1940 р. Н.Ф. Алексєєв і Е.Д. Малярів опублікували статтю у якій описали багаторезонаторний розбірний магнетрон з чотирма контурами з водяним охолоджуванням, який генерував на довжині хвилі 9 см коливання з потужністю до 300 Вт. Макет без водяного охолоджування за інших рівних умов давав потужність 100 Вт. У магнетроні були також отримані коливання потужністю 2 Вт на довжині хвилі 2,6.
Цікаво, що історії винаходу магнетрона в СРСР присвячений художній твір (Бабат Р. Гарф А. Магнетрон. М.: Детгиз, 1957, 901 з), одним з авторів якого був Георгій Ілліч Бабат - відомий радянський винахідник, що застосував, зокрема, багатоконтурний блок для індукційного нагріву і що використав в нім зв'язки у вигляді кілець, подібні вживаним у магнетроні. У передмові до книги Бабат і Гарф пишуть, на основі чого вона була створена. «Працюючи над цією книгою, ми користувалися, крім власних спогадів, різними літературними джерелами:
комплектами радянських і зарубіжних технічних журналів, поряд радянських і зарубіжних монографій, присвячених магнетронам...
... Проте наша робота жодною мірою не є вичерпною історією магнетрона. Ми обмежили себе розповіддю тільки про вузький крузі тіснозв'язаних між собою осіб». Зрозуміло, художнє твір - не історичний документ, але його читання додає яскраву емоційне забарвлення легко впізнанним історичним подіям. З початком війни центр досліджень магнетрона перемістився до Англії. Для боротьби з нічними бомбардуваннями необхідно було мати літакові станції радіолокацій з більшою потужністю чим забезпечували ті, що застосовувалися тоді тріоди. Обмеженням на шляху розвитку сантиметрової радіолокації була відсутність відповідного генератора. Найбільшого успіху добилися учені Бірмінгамського університету. «Британське Адміралтейство - пише Р. Компфнер - заснувало тут секретну групу по дослідженню ламп під керівництвом професора М.Л.Олифанта метою практичного створення сантиметрового радіолокатора – цебуло загальне завдання і воно було розділене між різними підгрупами. Одні займалися детекторами, інші генераторами і підсилювачами і так далі. Хто-небудь ще напише, як ось саме в такій групі Бут і Рендел створили багаторезонаторний магнетрон».
Пророцтва Компфнера збулися: про створення магнетрона написали самі Бут і Рендол і відомий англійський письменник Чарльз Сноу . Як не дивно, відчуття справедливості покинуло Буту і Рендола і вони не ослалися на роботу Алексєєва і Малярова. Приведемо витримку з написаного Сноу. «Англійцям дійсно довелося напружити всі свої сили ради того, щоб вижити; недивно тому, що в більшості питань, пов'язаних з використанням науки у військових цілях, вони виявилися обізнанішими.
В першу чергу це стосувалося радарів. Хоча англійські, американські і німецькі учені почали займатися радарами майже одночасно - що, до речі, дає нам привід ще раз задуматися про природу «секретних» відкриттів, - до 1940 року англійці значно випередили всіх інших.
Магнетрон, створений Рендолом і Бутом в лабораторії Оліфан- та в Бірмінгемі, опинився, мабуть, найкориснішим приладом у боротьбі з Гітлером. Він провів на американських учених настільки сильне враження, що вони негайно узялися за справу і трудилися все 16 місяців, які у них залишилися до вступу Сполучених Штатів у війну».
Частина2. Розрахунок магнетрону
Таблиця початкових даних:
Рвих, кВт
(, см
Uamax, кВ
190
2,8
28
Так, як ( знаходиться в сантиметровому діапазоні, то вибираємо резонатор типу щілина-отвір.
Число резонаторів N=34.
Вибір основних розмірів простору взаємодії.
Діаметр анодного отвору:
da=0.0084
Діаметр катоду:
dk=0.0073
Висота анодного блоку:
ha=0.0067
Розміри торцевих порожнин:
hп=0,1(=2.8(10-3 м
dп=d+0,1(=17,25(10-3 м
де d=13,35(10-3 м - діаметр кола, яке проходить через задні стінки резонатора.
Ширину щілини і ширину сегменту знаходимо з системи рівнянь:
w=0.0035
t=0.007
Визначення індукції постійного магнітного поля.
Задаємо:
Об’єм робочого простору магнетрону:
Vp=0.182(10-5 м
Об’єм постійного магніту:
Vm=0.182(10-5
Індукція постійного магнітного поля:
B0=0.7000
Перевірка нерівності:
B0(=14,7(10-3
Визначення робочої імпульсної анодної напруги.
Ua=18000B
Визначення електронного ККД магнетрону.
C=0.0044
A=0.845
n=0.78
Визначення анодного струму магнетрона.
Ia=36
Імпульсна густина емісійного струму катода:
Je=81578
Розрахунок резонансної довжини хвилі коливної системи.
Lxv=0.0276
Розрахунок добротностей.
Зовнішня добротність резонаторів:
Розрахунок контурного і повного ККД магнетрону.
Контурний ККД:
n=0.75
Повний ККД:
n=0.56
Перевірка значення величини вихідної потужності.
P=151456
Розрахунок хвильового опору.
Хвильовий опір окремого резонатору:
Хвильовий опір анодної системи:
(с=0,83214
Розрахунок хвилевідного виводу енергії.
Так, як (<3см, то вибираємо хвилевідний вивід енергії.
Задаємо розміри хвилеводу a=10.5(10-3 м, b=6(10-3 м, a1=10(10-3 м.
Хвильовий опір хвилеводу:
W=1254
Хвильовий опір чвертьхвильового трансформатора:
Wtr=79
Другий розмір трансформатора шукаємо з рівняння:
b1=0.37(10-3
Перевірка хвилеводу на електричну міцність:
Наближений тепловий розрахунок магнетрону.
Тривалість імпульсу: (=3(10-6 с.
Частота повторення імпульсу: F=1000 Гц.
Середня потужність, яка виділяється на аноді магнетрону і повинна бути розсіяна в навколишній простір у виді тепла:
Задаємо площу поверхні пластин додаткового радіатору: Sрад=7(10-4 м2.
Площа зовнішньої поверхні анодного блоку магнетрона:
Sзов=5.20(10-4
Питома потужність розсіювання:
6.15(105 Вт/м2
Висновок:
Під час виконання курсового проекту було розраховано основні параметри та характеристики магнетрона. Розглянуто історію створення магнетрону. Було задано початкові величини та розраховано параметри, які мають вкладатися в певні межі. Всі розраховані величини вкладаються в задані межі, а тому даний прилад є конструктивно правильним та готовим до серійного виробництва.
Список використаної літератури:
Шлифер Э. Д. Расчёт многорезонаторного магнетрона. Пособие к курсовому проектированию по приборам СВЧ. М. Издательство МЭИ, 1960.
Северская Э. А. Приборы СВЧ. М. Издательство ЛЭТИ, 1973.
Голант М. Б., Маклаков А. А., Щур М. Б. Изготовление резонаторов и замедляющих систем электронных приборов. М. «Советское радио», 1969.
4. Трубецков Д. И., Храмов А. Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. В 2 т. Т. 1. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 496 с.
5. http://ru.wikipedia.org
03.06.2013 23:06-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора