eng
Выпуск #7-8/2022
Н.И.Скрипкин, А.В.Шмелев, А.И.Проников, И.М.Иванов
КОМПЛЕКСИРОВАННЫЙ СВЧ-МОДУЛЬ С СИНХРОНИЗИРОВАННЫМИ МАГНЕТРОННЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ
КОМПЛЕКСИРОВАННЫЙ СВЧ-МОДУЛЬ С СИНХРОНИЗИРОВАННЫМИ МАГНЕТРОННЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ
Просмотры: 587
Получено: 24.10.2022 г. | Принято: 30.10.2022 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.458.465
Научная статья
КОМПЛЕКСИРОВАННЫЙ СВЧ-МОДУЛЬ С СИНХРОНИЗИРОВАННЫМИ МАГНЕТРОННЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ
Н.И.Скрипкин1, нач. лаб. / n.skripkin@pluton.msk.ru
А.В.Шмелев1, вед. инж.
А.И.Проников1, вед. инж.
И.М.Иванов1, науч. сотр.
Аннотация. В АО "Плутон" создана установка генераторного модуля СВЧ 2-см диапазона длин волн на основе технического решения – способа когерентного суммирования мощностей двух генераторов в волноводном сумматоре мощности – волноводном 3-дБ мосте. При этом на выходе модуля синхронизированного устройства мощность в пределах полосы синхронизации может достигать 95% от суммарной мощности генераторов.
Ключевые слова: комплексированный СВЧ-модуль, генератор, магнетрон, когерентное суммирование мощностей, суммирующее устройство, 3-дБ мост
Для цитирования: Н.И. Скрипкин, А.В. Шмелев, А.И. Проников, И.М. Иванов. Комплексированный СВЧ-модуль с синхронизированными магнетронными генераторами. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 7–8. С. 458–465. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.458.465
Received: 24.10.2022 | Accepted: 30.10.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.458.465
Original paper
COMPLEXED UHF-MODULE WITH SYNCHRONIZED M-TYPE GENERATORS
N.I.Skripkin1, Head of Laboratory / n.skripkin@pluton.msk.ru
A.V.Shmelev1, Principal Engineer
A.I.Pronikov1, Principal Engineer
I.M.Ivanov1, Research Engineer
Abstract. JSC "Pluton" has developed complexed UHF-module in the 2 cm wavelength range based on a technical solution – a method of coherent summation of the UHF-powers of two M-type generators in a waveguide power combiner – a waveguide 3-dB power coupler. The UHF-power can reach 95% of the total UHF-powers of two generators in the output of a synchronized device.
Keywords: complexed UHF-module, generator, magnetron, coherent summation of the UHF-powers, power combiner, 3-dB power coupler
For citation: N.I. Skripkin, A.V. Shmelev, A.I. Pronikov, I.M. Ivanov. Сomplexed UHF-module with synchronized M-type generators. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 7–8. PP. 458–465. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.458.465.
ВВЕДЕНИЕ
Современная СВЧ-техника характеризуется большим разнообразием типов генераторов. Среди них магнетрон зарекомендовал себя как надежный в эксплуатации, простой по конструкции, экономичный вакуумный прибор с высоким КПД.
В 2-см диапазоне длин волн номенклатура разработанных магнетронов достаточно велика и зависит от конкретных задач. Стремление создать конструкции сверхмощных магнетронов (0,5 МВт и более) [1] является актуальной, но не простой задачей.
В конце 80-х годов ОКБ при заводе "Плутон" были созданы уникальные единичные образцы магнетронов в 2-см диапазоне длин волн с импульсной мощностью до 1 МВт. Такие магнетроны представляли собой обращенно-коаксиальную конструкцию, имеющую как преимущества, так и недостатки. Для них создавались специальные откачные посты и модуляторные стенды, откачка производилась несколько дней, а тренировка – до двух месяцев. Прибор выпускался со встроенным технологическим магнитным электроразрядным насосом (МЭРН), позволяющим вести постоянную откачку при работе магнетрона в генераторном режиме. Магнетроны нуждались в длительной тренировке, так как необходимо было избавиться от искрений и стабилизировать электрические параметры.
В 90-е годы после спада экономики пострадали многие предприятия электронной промышленности. Это коснулось и ОКБ при заводе "Плутон". Оно было расформировано, численность рабочего персонала завода резко уменьшилась. Резко уменьшилась и номенклатура изделий. Сохранить все технологические процессы изготовления единичного производства магнетронов не удалось.
В настоящее время становятся востребованными сверхмощные магнетроны для выполнения конкретных задач, например для формирования зондирующих мощных импульсных сигналов. Возобновлять производство не выпускаемых более 30-ти лет магнетронов является сложной задачей и по срокам, и по стоимости создания технологических процессов.
В данной статье описывается установка "СВЧ-модуль", в которой используется способ когерентного суммирования мощностей двух магнетронов в сумматоре мощности. Питание магнетронов осуществляется высоковольтным двухканальным модулятором. Серийно-выпускаемые магнетроны в 2-см диапазоне длин волн с импульсной мощностью 270–300 кВт позволяют получить импульсную мощность на выходе сумматора не менее 500 кВт.
На основании ранее проведенных работ [2, 3], по нашему мнению, установлено, что наиболее эффективным и простым по конструкции способом для когерентного суммирования мощности двух генераторов с волноводным выводом является использование в качестве сумматора волноводного 3-дБ моста. При этом на выходе мощность синхронизированного устройства в пределах полосы синхронизации может достигать 95% от суммарной мощности генераторов. Схема синхронизации представлена на рис.1.
Взаимная фазированная (синхронизация) двух магнетронов (М1 и М2) обеспечивается фазовращателем (Ф), согласование обеспечивается короткозамыкающим поршнем (П). Суммированный сигнал направляется в выходной (антенный) тракт РЛС, либо на вход прибора горячих измерений (ПГИ). Точный подбор положения поршня обеспечивает максимальный коэффициент суммирования. Генераторный модуль СВЧ предназначен для формирования зондирующих импульсных сигналов в многофункциональном приемопередающем радиолокационном измерительном комплексе.
ВЫБОР СУММИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
Классические волноводные мосты делятся на три группы [4]:
волноводный мост щелевой со связью по широкой или узкой стенке;
волноводный мост на основе 2-го волноводного тройника (Е и Н);
кольцевые волноводные мосты.
Наилучшим согласованием и электрической прочностью отличаются мосты со связью по узкой стенке. Для дальнейших работ был выбран волноводный мост со связью по узкой стенке (рис.2). Электрическая прочность достигалась за счет избыточного давления гексафторида серы (элегаз) в волноводном тракте. Расчетная модель такого суммирующего устройства в программе для трехмерного моделирования СВЧ-процессов представлена на рис.2.
Рис.3 показывает равное суммирование сигналов из плеча 1 и плеча 2 в плечо 4.
Расчет производился в диапазоне частот 14,5–15,6 ГГц. Коэффициенты передачи (S-параметры) для различного положения регулировочного (согласующего) штыря представлены на рис.4–7. Регулировочный штырь может перемещаться в волноводном тракте сумматора мощности на 2,5–4,0 мм.
На рис.8 представлена упрощенная схема моста. Нумерация плеч: 1, 2 – входные, 4 – выход.
Матрица рассеивания идеального сумматора может быть представлена в виде:
[S]=[0 jd f jg jd 0 jg f f jg 0 jd jg f jd 0],
где d характеризует направленность щелевого моста; f и g – уровни разветвленных сигналов. На основании баланса мощностей:
d2 + f2 + g2 = 1.
При этом в идеальном случае элементы S11 = S22 = S33 = S44 = 0.
Для изготовленного сумматора на измерителе коэффициентов передачи четырехплечных (восьмиполюсных) устройств были проведены измерения S-параметров.
На частоте 15 ГГц при положении (длине) регулировочного штыря ~ 3 мм обеспечивалось идеальное согласование, направленность и баланс разветвления сигналов.
Измерение модулей S-параметров:
S11 ≈ S22 ≈ S33 ≈ S44 ≈ 0,1 ± 0,05
S12 ≈ S21 ≈ S34 ≈ S43 ≈ 0,1 ± 0,05
S13 ≈ S31 ≈ S24 ≈ S42 ≈ 0,7 ± 0,05
S14 ≈ S41 ≈ S23 ≈ S32 ≈ 0,7 ± 0,05.
Измеренный баланс мощностей:
(S11)2 + (S12)2 + (S13)2 + (S14)2 ≈ 1 ± 0,04.
При изменении длины регулировочного штыря симметрия моста нарушалась, баланс между входами (выходами) отсутствовал. Соответственно, при правильной настройке моста он полностью соответствует требованиям для суммирования и синхронизации сигналов.
РЕЖИМ КОГЕРЕНТНОГО СЛОЖЕНИЯ
Произведена отработка режима когерентного сложения мощности двух магнетронов на установке "СВЧ-модуль", которая представлена на рис.9.
Полученые рабочие параметры представлены в табл.1.
Модулирующий импульс, импульс тока, ВЧ-огибающая и спектр выходного сигнала (синхронизированный по фазе режим) представлены на рис.10 и 11. Режимы охлаждения с помощью встроенных высокоэффективных кулеров обеспечили бесперебойную работу модуля. Избыточное давление в волноводном тракте создавалось гексафторидом серы (элегазом) и составляло 2 ати.
На рис.12 представлены осциллограммы модулирующего импульса, импульса тока и ВЧ-огибающая при несинхронизированном по фазе режиме работы магнетронов. ВЧ-огибающая представляет собой осциллограмму биений.
Разработанный СВЧ-модуль представляет собой устройство, состоящее из двух магнетронов, питающихся от двухканального, высоковольтного, импульсного модулятора и сумматора мощности, размещенных в специальном шкафу с габаритами 750 × 550 × 800 мм, в одной из стенок которого выходит волноводный тракт для дальнейшего подсоединения его через необходимые элементы к антенне (рис.13, 14). Масса устройства СВЧ-модуля составляет ~ 150 кг.
Управление работой СВЧ-модуля осуществляется от удаленного компьютера по специальным программам, позволяющим производить регулировки в каждом канале: источника питания, амплитуды и длительности модулирующего импульса, частоты следования импульсов, тока накала магнетрона (рис.15, 16).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В АО "Плутон" впервые в России создана установка "СВЧ-модуль" в 2-см диапазоне длин волн, позволяющая использовать принцип когерентного сложения мощностей двух магнетронов, серийно выпускаемых в производстве. Стоимость установки и сроки изготовления во много раз меньше вновь разрабатываемого магнетрона на параметры, представленные в данной статье.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Петроченков В.И. Электронная техника, 2010, сер.1, вып. № 2, Оптимизация характеристик магнетрона.
Иванов И.М., Скрипкин Н.И., Ходатаев К.В., Вагин А.И. Экспериментальное исследование самосинхронизации магнетронов 3-миллиметрового диапазона // СВЧ-электроника. 2015. № 6 (00146). С. 98–104.
Вагин А.И., Ефремова М.В., Иванов И.М., Курушин А.А., Скрипкин Н.И. Расчет и экспериментальное исследование прототипа излучателя ФАР на синхронизированных магнетронах 3-мм диапазона // СВЧ-техника. 2016. № 3 (530). С. 14–19. Серия 1.
Собенин Н.П., Милованов О.С. Техника сверхвысоких частот / 2-е изд.: Энергоатомиздат, 2007.
Научная статья
КОМПЛЕКСИРОВАННЫЙ СВЧ-МОДУЛЬ С СИНХРОНИЗИРОВАННЫМИ МАГНЕТРОННЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ
Н.И.Скрипкин1, нач. лаб. / n.skripkin@pluton.msk.ru
А.В.Шмелев1, вед. инж.
А.И.Проников1, вед. инж.
И.М.Иванов1, науч. сотр.
Аннотация. В АО "Плутон" создана установка генераторного модуля СВЧ 2-см диапазона длин волн на основе технического решения – способа когерентного суммирования мощностей двух генераторов в волноводном сумматоре мощности – волноводном 3-дБ мосте. При этом на выходе модуля синхронизированного устройства мощность в пределах полосы синхронизации может достигать 95% от суммарной мощности генераторов.
Ключевые слова: комплексированный СВЧ-модуль, генератор, магнетрон, когерентное суммирование мощностей, суммирующее устройство, 3-дБ мост
Для цитирования: Н.И. Скрипкин, А.В. Шмелев, А.И. Проников, И.М. Иванов. Комплексированный СВЧ-модуль с синхронизированными магнетронными генераторами. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 7–8. С. 458–465. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.458.465
Received: 24.10.2022 | Accepted: 30.10.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.458.465
Original paper
COMPLEXED UHF-MODULE WITH SYNCHRONIZED M-TYPE GENERATORS
N.I.Skripkin1, Head of Laboratory / n.skripkin@pluton.msk.ru
A.V.Shmelev1, Principal Engineer
A.I.Pronikov1, Principal Engineer
I.M.Ivanov1, Research Engineer
Abstract. JSC "Pluton" has developed complexed UHF-module in the 2 cm wavelength range based on a technical solution – a method of coherent summation of the UHF-powers of two M-type generators in a waveguide power combiner – a waveguide 3-dB power coupler. The UHF-power can reach 95% of the total UHF-powers of two generators in the output of a synchronized device.
Keywords: complexed UHF-module, generator, magnetron, coherent summation of the UHF-powers, power combiner, 3-dB power coupler
For citation: N.I. Skripkin, A.V. Shmelev, A.I. Pronikov, I.M. Ivanov. Сomplexed UHF-module with synchronized M-type generators. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 7–8. PP. 458–465. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.458.465.
ВВЕДЕНИЕ
Современная СВЧ-техника характеризуется большим разнообразием типов генераторов. Среди них магнетрон зарекомендовал себя как надежный в эксплуатации, простой по конструкции, экономичный вакуумный прибор с высоким КПД.
В 2-см диапазоне длин волн номенклатура разработанных магнетронов достаточно велика и зависит от конкретных задач. Стремление создать конструкции сверхмощных магнетронов (0,5 МВт и более) [1] является актуальной, но не простой задачей.
В конце 80-х годов ОКБ при заводе "Плутон" были созданы уникальные единичные образцы магнетронов в 2-см диапазоне длин волн с импульсной мощностью до 1 МВт. Такие магнетроны представляли собой обращенно-коаксиальную конструкцию, имеющую как преимущества, так и недостатки. Для них создавались специальные откачные посты и модуляторные стенды, откачка производилась несколько дней, а тренировка – до двух месяцев. Прибор выпускался со встроенным технологическим магнитным электроразрядным насосом (МЭРН), позволяющим вести постоянную откачку при работе магнетрона в генераторном режиме. Магнетроны нуждались в длительной тренировке, так как необходимо было избавиться от искрений и стабилизировать электрические параметры.
В 90-е годы после спада экономики пострадали многие предприятия электронной промышленности. Это коснулось и ОКБ при заводе "Плутон". Оно было расформировано, численность рабочего персонала завода резко уменьшилась. Резко уменьшилась и номенклатура изделий. Сохранить все технологические процессы изготовления единичного производства магнетронов не удалось.
В настоящее время становятся востребованными сверхмощные магнетроны для выполнения конкретных задач, например для формирования зондирующих мощных импульсных сигналов. Возобновлять производство не выпускаемых более 30-ти лет магнетронов является сложной задачей и по срокам, и по стоимости создания технологических процессов.
В данной статье описывается установка "СВЧ-модуль", в которой используется способ когерентного суммирования мощностей двух магнетронов в сумматоре мощности. Питание магнетронов осуществляется высоковольтным двухканальным модулятором. Серийно-выпускаемые магнетроны в 2-см диапазоне длин волн с импульсной мощностью 270–300 кВт позволяют получить импульсную мощность на выходе сумматора не менее 500 кВт.
На основании ранее проведенных работ [2, 3], по нашему мнению, установлено, что наиболее эффективным и простым по конструкции способом для когерентного суммирования мощности двух генераторов с волноводным выводом является использование в качестве сумматора волноводного 3-дБ моста. При этом на выходе мощность синхронизированного устройства в пределах полосы синхронизации может достигать 95% от суммарной мощности генераторов. Схема синхронизации представлена на рис.1.
Взаимная фазированная (синхронизация) двух магнетронов (М1 и М2) обеспечивается фазовращателем (Ф), согласование обеспечивается короткозамыкающим поршнем (П). Суммированный сигнал направляется в выходной (антенный) тракт РЛС, либо на вход прибора горячих измерений (ПГИ). Точный подбор положения поршня обеспечивает максимальный коэффициент суммирования. Генераторный модуль СВЧ предназначен для формирования зондирующих импульсных сигналов в многофункциональном приемопередающем радиолокационном измерительном комплексе.
ВЫБОР СУММИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
Классические волноводные мосты делятся на три группы [4]:
волноводный мост щелевой со связью по широкой или узкой стенке;
волноводный мост на основе 2-го волноводного тройника (Е и Н);
кольцевые волноводные мосты.
Наилучшим согласованием и электрической прочностью отличаются мосты со связью по узкой стенке. Для дальнейших работ был выбран волноводный мост со связью по узкой стенке (рис.2). Электрическая прочность достигалась за счет избыточного давления гексафторида серы (элегаз) в волноводном тракте. Расчетная модель такого суммирующего устройства в программе для трехмерного моделирования СВЧ-процессов представлена на рис.2.
Рис.3 показывает равное суммирование сигналов из плеча 1 и плеча 2 в плечо 4.
Расчет производился в диапазоне частот 14,5–15,6 ГГц. Коэффициенты передачи (S-параметры) для различного положения регулировочного (согласующего) штыря представлены на рис.4–7. Регулировочный штырь может перемещаться в волноводном тракте сумматора мощности на 2,5–4,0 мм.
На рис.8 представлена упрощенная схема моста. Нумерация плеч: 1, 2 – входные, 4 – выход.
Матрица рассеивания идеального сумматора может быть представлена в виде:
[S]=[0 jd f jg jd 0 jg f f jg 0 jd jg f jd 0],
где d характеризует направленность щелевого моста; f и g – уровни разветвленных сигналов. На основании баланса мощностей:
d2 + f2 + g2 = 1.
При этом в идеальном случае элементы S11 = S22 = S33 = S44 = 0.
Для изготовленного сумматора на измерителе коэффициентов передачи четырехплечных (восьмиполюсных) устройств были проведены измерения S-параметров.
На частоте 15 ГГц при положении (длине) регулировочного штыря ~ 3 мм обеспечивалось идеальное согласование, направленность и баланс разветвления сигналов.
Измерение модулей S-параметров:
S11 ≈ S22 ≈ S33 ≈ S44 ≈ 0,1 ± 0,05
S12 ≈ S21 ≈ S34 ≈ S43 ≈ 0,1 ± 0,05
S13 ≈ S31 ≈ S24 ≈ S42 ≈ 0,7 ± 0,05
S14 ≈ S41 ≈ S23 ≈ S32 ≈ 0,7 ± 0,05.
Измеренный баланс мощностей:
(S11)2 + (S12)2 + (S13)2 + (S14)2 ≈ 1 ± 0,04.
При изменении длины регулировочного штыря симметрия моста нарушалась, баланс между входами (выходами) отсутствовал. Соответственно, при правильной настройке моста он полностью соответствует требованиям для суммирования и синхронизации сигналов.
РЕЖИМ КОГЕРЕНТНОГО СЛОЖЕНИЯ
Произведена отработка режима когерентного сложения мощности двух магнетронов на установке "СВЧ-модуль", которая представлена на рис.9.
Полученые рабочие параметры представлены в табл.1.
Модулирующий импульс, импульс тока, ВЧ-огибающая и спектр выходного сигнала (синхронизированный по фазе режим) представлены на рис.10 и 11. Режимы охлаждения с помощью встроенных высокоэффективных кулеров обеспечили бесперебойную работу модуля. Избыточное давление в волноводном тракте создавалось гексафторидом серы (элегазом) и составляло 2 ати.
На рис.12 представлены осциллограммы модулирующего импульса, импульса тока и ВЧ-огибающая при несинхронизированном по фазе режиме работы магнетронов. ВЧ-огибающая представляет собой осциллограмму биений.
Разработанный СВЧ-модуль представляет собой устройство, состоящее из двух магнетронов, питающихся от двухканального, высоковольтного, импульсного модулятора и сумматора мощности, размещенных в специальном шкафу с габаритами 750 × 550 × 800 мм, в одной из стенок которого выходит волноводный тракт для дальнейшего подсоединения его через необходимые элементы к антенне (рис.13, 14). Масса устройства СВЧ-модуля составляет ~ 150 кг.
Управление работой СВЧ-модуля осуществляется от удаленного компьютера по специальным программам, позволяющим производить регулировки в каждом канале: источника питания, амплитуды и длительности модулирующего импульса, частоты следования импульсов, тока накала магнетрона (рис.15, 16).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В АО "Плутон" впервые в России создана установка "СВЧ-модуль" в 2-см диапазоне длин волн, позволяющая использовать принцип когерентного сложения мощностей двух магнетронов, серийно выпускаемых в производстве. Стоимость установки и сроки изготовления во много раз меньше вновь разрабатываемого магнетрона на параметры, представленные в данной статье.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Петроченков В.И. Электронная техника, 2010, сер.1, вып. № 2, Оптимизация характеристик магнетрона.
Иванов И.М., Скрипкин Н.И., Ходатаев К.В., Вагин А.И. Экспериментальное исследование самосинхронизации магнетронов 3-миллиметрового диапазона // СВЧ-электроника. 2015. № 6 (00146). С. 98–104.
Вагин А.И., Ефремова М.В., Иванов И.М., Курушин А.А., Скрипкин Н.И. Расчет и экспериментальное исследование прототипа излучателя ФАР на синхронизированных магнетронах 3-мм диапазона // СВЧ-техника. 2016. № 3 (530). С. 14–19. Серия 1.
Собенин Н.П., Милованов О.С. Техника сверхвысоких частот / 2-е изд.: Энергоатомиздат, 2007.
Отзывы читателей
