Реферат: Техника СВЧ

1. ВВЕДЕНИЕ1.1 Технико-экономическое обоснование проекта

Общее кризисное состояние всей экономики страны еще в боль­шейстепени относится к технике СВЧ, так как она в основном питалась военнымизаказами. Поэтому в настоящее время основной задачей этой области техникиявляется развитие применений ее в мирных целях. Эти применения могут бытьсвязаны с переработкой информации (телевидение, связь, новые направления вмедицине и биологии) и с преобразованием энергии (ускорители заряженных частиц,нагрев плазмы, диэлектриков, преобразование солнечной энергии). Наиболее важнымв настоящий момент являются применения, направленные на развитие новыхтехнологий и новых производств. Это прежде всего касается использование СВЧ длянагрева диэлектриков в различных целях.

Наиболее широкая область применения техники СВЧ — ееисполь­зование в бытовых целях, например производство магнетронов для бытовых микроволновыхпечей. Однако в этой области иностранные фирмы ушли далеко вперед и безсерьезных вложений наша промыш­ленность не сможет с ними конкурировать.

В этих условиях более целесообразным представляетсяразвитие технологических применений более мощных приборов СВЧ (более кВт), всоздании и производстве которых наша страна занимает передовые позиции. Дляразнообразных технологических процессов (сушки, размо­раживания, вулканизации,пастеризации, спекания, разрушения твердых веществ, обжига и многих других)требуется мощность от единиц до сотен киловатт в непрерывном режиме. Применениемикроволн позво­ляет оптимизировать технологический процесс, достичь высокогока­чества продукта при минимальных энергозатратах и меньшей металлоем­коститехнологического устройства. Использование электроэнергии позволяет разумно иэффективно тратить природные энергоресурсы (газ, нефть, уголь), не наносядополнительного экологического вреда. Наиболее экономично применение болеекоротковолнового диапазона, так как мощность, выделяемая при нагреведиэлектрика пропорциональна частоте.

Специфическим требованием к приборам для промышленногоприменения отвечают мощные магнетроны непрерывного действия. Они относительнодешевы, обладают высоким КПД, сравни­тельно просты в эксплуатации и устойчивы кизменениям 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 невыпускают магнетроны мощностью свыше 10 кВт. Ограничения по мощности в магне­тронахсвязаны с тем, что потери выделяются непосредственно на аноде и катоде, которыеобразуют пространство взаимодействия. Размеры пространства взаимодействияограничены длиной волны. Вследствие обратной бомбардировки катода сокращаетсясрок службы прибора. При мощностях свыше 1кВТ необходимо водяное охлаждение.Это создает неудобства в эксплуатации и сокращает срок службы из-за выхода изстроя каналов охлаждения.

В связи с указанным недостатком магнетронов длятехнологиче­ских целей стали разрабатывать многорезонаторные клистроны. У кли­строновпродольный размер коллектора не связан с длиной волны. Поэтому при мощностях до10 кВт может быть использовано воздушное охлаждение. Применение воздушного охлажденияпредпочтительнее также в связи с тем, что горячий воздух используется длядополнитель­ного подогрева продукта. Разрабатываемые клистроны имеют мощность25-50 кВт при КПД=45-50% в диапазоне 2450 МГц [1]. Наибольшие успехи достигнутыв создании многолучевых клистронов. Клистроны, разработанные отечественнойпромышленностью позволили достигнуть больших успехов в снижении ускоряющегонапряжения и стоимости. По сравнению с магнетронами многолучевые клистроныпозволяют значительно увели­чить долговечность и выходную мощность вкоротковолновом диапазоне (12.5см) при тех же, что и у магнетронов, величинахКПД и напряжениях. Однако даже многолучевые многорезонаторные клистроныуступают магнетронам по габаритам, весу, стоимости. Эти недостатки связаны с большимколичеством резонаторов. Во многом количество резонаторов определяетсястремлением получить большие значения коэффициента усиления и полосы, а вслучае автогенератора их число может быть уменьшено.

Для технологических целей возможно применение автогенерато­роввместо усилителей. При этом требования полосы и усиления отпа­дают и становитсяцелесообразной разработка автогенераторных кли­стронов с малым числомрезонаторов и большим КПД. Также автогенера­торы будут лишены упомянутыхнедостатков по сравнению с магнетро­нами, а отмеченные выше преимуществаклистронов тогда более ярко проявляются. Однако выпускаемые до сих пор одно- идвухрезонаторные клистроны имеют в лучшем случае КПД около 30%, а обычнозначительно ниже.

В связи со сказанным возникает задача заменить применяемыйв многорезонаторных клистронах процесс преобразования постоянногоэлектрического тока в переменный с помощью каскадного группирования другимэффективным процессом, не требующим большого количества резонаторов.

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

До сих пор нет сведений о создании хотя быэкспериментальных приборов, использующих протяженные пространствавзаимодействия в резонаторах. Для создания таких приборов, на кафедреэлектронных приборов в течении последних лет, были проведены расчет и анализэлектронных процессов при больших углах пролета.

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

В соответствии со сказанным определяются следующиеосновные этапы настоящей работы:

Проведение аналитического обзора по опубликованным работами проведенным на кафедре электронных приборов.

Ознакомление с методами расчета электронныхэлектродинамических процессов, внесение уточнений при выборе вычислительныхпараметров и развитие этих методов в связи с возникающими задачами.

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

Рассмотрение принципов построения генераторов и эскизноепроектирование прибора.

В современных условиях разработка новых приборов должнавестись с использованием максимального числа уже разработанных узлов и деталей,поэтому проектирование прибора ведется на базе разработанной в НИИ«Исток» многолучевой электронно-оптической системы. Последниеобстоятельство определило данные проектируемого прибора. Подводимая мощностьопределяется параметрами двадцатичетырехлучевой ЭОС с микропервеансом одноголуча Рм=0.3 мкА/В3/2 и напряжением U0=8 кВ, Р0=41кВт. При общем КПД не менее 55% выходная мощность составляет 22-25 кВт. Диаметрпролетного канала 3.5 мм, коэффициент заполнения 0.6 при идеализированныхусловиях в пролетном канале. Расчет проводился на частоте 2450 МГц.

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

/>2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР/>2.1. Взаимодействиеэлектронного потока с входным резонатором.

Эффективность взаимодействия электронов с полем зазорарезонатора принято характеризовать коэффициентом электронного взаимодействия M:

/>

 где q — угол пролетаэлектронов во входном зазоре.

Из этого выражения следует, что лучшее взаимодействиебудет происходить при q близком к нулю.Рассмотрение процессов с точки зрения осуществления прибора в целом приводит кзаключению, что желательно получение максимальной величины М2r, где /> -характеристическое сопротивление резонатора. Почти во всех приборах, в которыхпроисходит 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 неявляется единственным, по которому следует определять рабочую область. Оченьважна относительная величина первой гармоники конвекционного тока I1max/I0. Надо стремиться получить это значение наибольшим для получения хорошего КПДприбора. Также важным  фактором является КПД зазора, который пропорционаленэлектронной проводимости с обратным знаком. Особенно это очевидно для схемавтогенераторов, в которых первый резонатор самовозбуждается. В дальнейшем,вероятно, более целесообразно использовать  другие параметры, характеризующиеэлектронный ток и его взаимодействие с СВЧ полем. Можно использоватькоэффициент качества, включающий относительную величину минимальной скоростиэлектронов.