а с компрессией 5 дБ:
= 18,14 дБм - 8,23 дБм
Птр 5дБ
3 В • 67,50 мА 58,5 мВт
х 100 % =
202,5 мВт
х 100 % = 28,8
п - 19,68 дБм - 7,98 дБм х 100 % _ Псог 5ДБ _ 3 В • 5 9, 50 мА Х 100 % _
_ 86,61 мВт
178,5 мВт
х 100 % - 48,5
Таким образом, наблюдаемое улучшение энергетических характеристик усилителя в режиме комплексно-сопряженного согласования входного и выходного импедансов свидетельствует об эффективности предлагаемой процедуры определения 8-параметров методом удаленной переменной нагрузки. Предлагаемое решение также существенно сокращает время поиска условий согласования транзистора в диапазоне частот и материальные затраты благодаря использованию минимального комплекта измерительной аппаратуры.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показана эффективность определения 8-пара-метров транзисторов методом удаленной переменной нагрузки при проектировании СВЧ-усилите-лей мощности. Предлагаемый метод, в отличие от известных решений, не требует применения
дорогого измерительного оборудования (четырех-портовых векторных анализаторов цепей и тюнеров импеданса), существенно сокращает временные затраты и снимает проблемы повреждения транзистора и ограничения уровней мощности входного сигнала. Существенно и то, что автоматизированное проектирование транзисторных усилительных модулей на основе полученных S-па-раметров не требует применения итерационных методов анализа нелинейных цепей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хибель М. Основы векторного анализа цепей: пер. с англ. С. М. Смольского / Под ред. У. Филлипп. — М.: МЭИ, 2009. — 500 с.
2. Измерение S22 в "горячем" режиме с импульсными сигналами на анализаторе цепей R & S®ZVA. <http://www. rohde-schwarz.ru/439/AN001rus_HotS22_pulse.pdf>.
3. Root D. E., Horn J, Betts L. et al. Х-параметры: Новый принцип измерений, моделирования и разработки нелинейных ВЧ и СВЧ компонентов. / Контрольно-измерительные приборы и системы, компания Agilent Technologies. — С. 20—24.
4. Никулин С. М, Белова Ю. В. Измерение и идентификация большесигнальных S-параметров нелинейных СВЧ цепей.
5. Кудрявцев А. М., Никулин С. М. Интеллектуальный Анализ СВЧ цепей и антенн: учеб. пособие. — Н. Новгород: Ни-жегород. тех. гос. ун-т, 2005. — 121 с.
6. Торгованов А. И., Никулин С. М. Измерение S-параметров нелинейных СВЧ цепей методом пространственно удаленной переменной нагрузки // Датчики и системы. — 2014. № 11.
УДК 621.385.64
МАГНЕТРОН С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ MAGNETRON WITH FORCED AIR COOLING
Моругин Станислав Львович
д-р техн. наук, зав. кафедрой E-mail: smorugin@yandex.ru
2) Скрипкин Николай Игоревич
нач. лаборатории
E-mail: n.skripkin@pluton.msk.ru
2) Шмелев Антон Викторович
ст. инженер
Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, Нижний Новгород
2) ОАО "Плутон", Москва
Morugin Stanislav L.
D. Sc. (Tech.), Head of Department E-mail: smorugin@yandex.ru
2) Skripkin Nikolay I.
Head of Laboratory
E-mail: n.skripkin@pluton.msk.ru
2) Shmelev Anton V.
Senior Engineer
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R. E. Alekseev, Nizhny Novgorod
2) Pluton JSC, Moscow
18
Sensors & Systems • № 4.2015
Аннотация: Представлены результаты теоретического анализа конструкции магнетрона с воздушным охлаждением, использующего теплопроводящие стержни для передачи тепла сквозь магнитопровод. Проведен расчет конструкции при разных диаметрах стержней. Сравнение рассчитанных значений температуры нагрева магнетрона с экспериментальными данными показало их хорошую сходимость.
Ключевые слова: магнетрон, принудительное охлаждение, теп-лоотвод, датчик температуры.
ВВЕДЕНИЕ
Магнетроны как генераторы сверхвысоких частот широко используются в современной радиолокационной технике, при этом весьма актуальным вопросом является применение магнетронов большой мощности.
При конструировании магнетронов, особенно в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, разработчики сталкиваются с проблемой отвода тепла с корпуса анодного блока. При продвижении в данный диапазон резко уменьшаются размеры пространства взаимодействия, увеличиваются потери в скин-слое анодной замедляющей системы, происходит резкое уменьшение электронного и полного КПД магнетрона до значений единиц процентов. Подводимая мощность в цепи анода более чем на 90 % преобразуется в тепло, которое необходимо рассеивать, чтобы избежать перегрева корпуса анодного блока, других элементов конструкции и неприятностей, связанных с ухудшением вакуумного состояния в приборе, искрениями, пробоями, уменьшением времени безотказной работы магнетрона.
Важной проблемой, возникающей при конструировании магнетронов подобного класса, является обеспечение необходимой минимально возможной температуры на корпусе анодного блока в работающем приборе. Известно, что в настоящее время для эффективного охлаждения элементов конструкции магнетрона используются замкнутые системы с жидкостным принудительным охлаждением со специальными жидкостями, прокачиваемыми по каналам корпуса анодного блока [1]. Однако такие системы с жидкостным принудительным охлаждением анодного блока имеют серьезные недостатки в эксплуатации.
• Жидкость, применяемая для охлаждения анодного блока, должна сохранять свои свойства и эффективно работать в интервале рабочих температур от —60 до +100 °С. Однако используемые составы жидкостей при минусовых
Abstract: The results of theoretical analysis of the design of the magnetron air cooling using the heat pipe to transfer heat through the magnetic circuit. The calculation of the design at different diameters of the rods. Comparison of the calculated values of the heating temperature of the magnetron with the experimental data shows a good convergence.
Keywords: magnetron, forced cooling, heat sink, temperature sensor.
температурах, как правило, загустевают, имеют большую вязкость, и запустить систему охлаждения без дополнительного подогрева жидкости иногда не представляется возможным.
• Известна конструкция магнетрона [2], в которой авторы стремятся использовать жидкость в системе для одновременного охлаждения анодного блока и катода, находящегося под высоким потенциалом. Так как система жидкостного принудительного охлаждения представляет собой замкнутый объем, в котором происходит постоянная прокачка насосом жидкости через каналы анодного блока и катода, то жидкость должна иметь высокое электрическое сопротивление и сохранять его во время всей работы магнетрона. В противном случае в процессе работы появляются большие токи утечки, и происходит изменение режимов и электрических параметров прибора.
• Используемые системы охлаждения громоздки, энергоемки, неудобны в эксплуатации.
В данной статье моделируется конструкция компактного малогабаритного магнетрона со встроенным магнитопроводом и воздушным принудительным охлаждением.
ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
Для оптимизации размеров корпуса анодного блока с встроенным магнитопроводом и радиатором охлаждения была создана модель, представленная на рис. 1. Теплопередача осуществляется от источника нагрева — катода 1, находящегося в пространстве взаимодействия на ламели анодного блока 2, далее по теплопроводящим стрежням 6 на периферию к радиатору охлаждения 4 с последующим снятием тепла воздушным потоком, создаваемым, например, вентилятором. Эффективность теплопередачи достигается за счет тепло-проводящих стержней, проходящих в отверстия магнитопровода 3 и припаянных одной стороной к анодному блоку, другой — к радиатору охлаждения.
ности, которое нужно передать на периферию и рассеять, составляет 215 Вт. Распределение температуры по сечению магнетрона, проходящему через стержни, показано на рис. 2 для двух вариантов диаметров стержней.
Для стержней с 010 мм перепад температур меньше в 4 раза, чем на стержнях с 04 мм. Перепад температур радиатор—воздух не зависит от диаметра стержней. В сечении, проходящем через стальной магнитопровод, наблюдаются два перепада температур: между внутренней и внешней границей магнитопровода и между радиатором и воздухом (см. рис. 2).
Рис. 1. Конструкция малогабаритного магнетрона:
1 — катод; 2 — корпус анодного блока; 3 — магнитопровод; 4 — радиатор охлаждения; 5 — место крепления датчика измерения температуры; 6 — теплопроводящие стержни
Мощность, подводимая к магнетрону от источника питания (модулятора), преобразуется частично (единицы процентов) в СВЧ-энергию, оставшаяся часть энергии электронов выделяется на аноде в виде тепла, которое необходимо рассеять.
Ограничения, налагаемые на магнетрон по массе и габаритам, не позволяют в широких пределах изменять внешний диаметр анодного блока и радиатора охлаждения, а получение необходимого значения магнитного поля в рабочем зазоре определяется размерами магнитов и внешнего маг-нитопровода, встроенного между анодным блоком и радиатором охлаждения.
Эффективность теплоотдачи зависит от:
— количества и диаметра теплопроводящих стержней;
— количества, формы, толщины и длины ребер охлаждения в радиаторе.
Рассчитаем и проанализируем картину распределения теплового поля для различных конструктивных вариантов. Численные значения расчетных и экспериментальных характеристик теплопередачи приведены для сравнительной оценки.
РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ
Расчет проводился по специально разработанной программе, за исходные данные были выбраны следующие значения: импульсное напряжение анода 15 кВ; ток анода импульсный 15 А; скважность 1000; КПД магнетрона 4 %.
Магнетрон охлаждается благодаря конвекции с принудительным обдувом. Значение средней мощ-
Рис. 2. Температура в поперечном сечении для двух значений диаметра стержней:
4 мм (кривая 1), 10 мм (кривая 2, сечение проходит между стержнями)
2,2 2
ч « 1,8 ч
& 1,6 пТ
I 1,4
о
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
\ 1 2
V
0 10 20 30 40
Расстояние от оси катода, мм
50
Рис. 3. Плотность потока тепла для двух диаметров стержней (4 мм и 10 мм, сечение проходит через стержни)
20
вепвогв & Эувгетв • № 4.2015
Рис. 4. Направление движения потоков тепла в поперечном сечении
Рис. 5. Лин
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.