В настоящей работе представлены результаты трехмерного электромагнитного моделирования вывода энергии лампы бегущей волны. Приведены сведения о наиболее часто встречающихся дефектах и отклонениях от конструкторской документации узлов и деталей вывода энергии лампы бегущей волны. Показана зависимость уровня коэффициента стоячей волны по напряжению от размеров этих дефектов. Установлено, что совокупность отклонений, которые по отдельности не вносят значительные изменения на уровень КСВН, может приводить к высокому уровню КСВН и забракованию изделия.
Ключевые слова: лампа бегущей волны, коэффициент стоячей волны по напряжению, трехмерное электромагнитное моделирование.
Введение
Лампы бегущей волны (ЛБВ) являются одним из двух основных типов электровакуумных приборов сверхвысоких частот (ЭВП СВЧ). Они находят свое применение в системах спутниковой связи, радиолокационных системах, системах радиолокационной борьбы и др. [1] Их развитие сопровождается повышением выходной мощности и коэффициента полезного действия (КПД), расширением рабочей полосы частот, переходом в более коротковолновый диапазон длин волн.
Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) входа и выхода энергии является одним из основных параметров ЛБВ. Требования к этому параметру в технических заданиях (ТЗ) на разработку современных ЛБВ сильно ужесточаются. При этом, в связи с тем, что рабочие частоты разрабатываемых ЛБВ растут, происходит уменьшение геометрических размеров узлов и деталей изделий. Это значительно усложняет не только производство узлов и деталей, но и контроль их качества. Уменьшение квалитета допусков на детали из-за технических возможностей обрабатывающих станков и точности измерительного оборудования становится невозможным.
При производстве ЛБВ Ka-диапазона частот было установлено, что из-за большого количества малогабаритных переходов с разными волновыми сопротивлениями, процент выхода годных изделий по уровню КСВН является низким. [2]
Целью настоящей работы является оценка влияния на уровень КСВН дефектов и отклонений от конструкторской документации (КД) деталей и узлов ввода и вывода ЛБВ.
Методика исследования
Объектом исследования является коаксиальный ввод энергии ЛБВ Ka-диапазона частот. Трехмерное электромагнитное моделирование проводилось в программе Ansys HFSS. [3] Модель исследуемого ввода энергии представлена на рисунке 1. На рисунке 1 приняты следующие обозначения:
1 — замедляющая система (ЗС), 2 — коаксиальная часть вывода энергии ЛБВ,
3 — трансформатор типов волн, 4 — чебышевский ступенчатый переход,
5 — керамический вывод энергии, 6 — коаксиально-волноводный переход (КВП).
Рис. 1. Исследуемая модель ввода энергии ЛБВ, построенная в программе Ansys HFSS
Во время исследования дефектов деталей и узлов ввода энергии ЛБВ были установлены следующие, наиболее часто встречающиеся дефекты и отклонения от КД:
- Щель в месте паяного соединения между коаксиальной и волноводной частями трансформатора типов волн.
- Галтель паянного соединения стержня коаксиальной части вывода энергии в области трансформатора типа волн.
- Отклонение длины переходных шагов спирали на уровень КСВН.
- Совокупности нескольких вышеуказанных дефектов.
Для каждого из вышеуказанных дефектов было проведено трехмерное электромагнитное моделирование с целью оценки влияния на уровень КСВН.
Результаты исследования и обсуждение
На рисунке 2 представлена модель щели в месте паяного соединения между коаксиальной и волноводной частями трансформатора типов волн. На рисунке 3 представлен график зависимости уровня КСВН от размера щели Z.
Рис. 2. Модель щели в трансформаторе типов волн
Рис. 3. Зависимость КСВН от размера щели в трансформаторе типов волн
Как видно из графика, изображенного на рисунке 3, размер щели оказывает значительное влияние на уровень КСВН. Так, при размере щели равной 0,3 мм, расчетный уровень КСВН равен 1,55, что значительно превышает установленные в ТЗ требования.
На рисунке 4 представлена модель галтели паянного соединения стержня коаксиальной части вывода энергии в области трансформатора типа волн. На рисунке 5 представлена зависимость КСВН от радиуса галтели.
Рис. 4. Модель галтели паяного соединения в трансформаторе типов волн
Рис. 5. Зависимость уровня КСВН от радиуса галтели
Как видно из графика, изображенного на рисунке 5, размер галтели не оказывает значительного влияния на уровень КСВН.
На рисунке 6 представлена модель замедляющей системы с переходным шагом. На рисунке 7 представлена зависимость КСВН от отклонения шага первого витка спирали.
Рис. 6. Переходной шаг спирали
Рис. 7. Зависимость уровня КСВН от отклонения первого витка спирали
Как видно из рисунка 7, отклонения первого витка спирали в пределах от -0,06 до 0,06 мм не оказывает значительного влияния на уровень КСВН.
На рисунке 8 представлена модель, в которой учтены несколько дефектов. Она содержит щель в месте паяного соединения между коаксиальной и волноводной частями трансформатора типов волн и галтель паянного соединения стержня коаксиальной части вывода энергии в области трансформатора типа волн. Радиус галтели равен 0,3 мм. Так же, при расчетах учитывалось отклонения переходного шага спирали на 0,06 мм. Результаты расчета представлены на рисунке 9.
Рис. 8. Модель трансформатора типов волн с совокупностью нескольких дефектов
Рис. 9. Зависимость уровня КСВН от величины щели в области трансформатора типов волн, с галтелью и отклонением переходного шага спирали
Как видно из результатов, представленных на рисунке 9, совокупность дефектов (щель и галтель в области трансформатора типов волн, отклонение переходного шага спирали) оказывает значительное влияние на уровень КСВН. При величине щели 0,2 мм (с учетом галтели и отклонения переходного шага спирали) уровень КСВН равен 1,4. При этом, без учета галтели и отклонения переходного шага спирали, уровень КСВН, при такой величине щели, равен 1,3.
Заключение
Установлено, что наибольшее влияние на уровень КСВН оказывают щели в паяных соединениях, образующиеся при не плотном прилегании деталей волноводной и коаксиальной частей вывода энергии ЛБВ друг к другу, в плоскости перпендикулярной оси вывода энергии (в области трансформатора типов волн). При величине щели от 0,2 мм, в исследуемой конструкции уровень КСВН превышает 1,3.
Выявлено, что наличие галтели паяного соединения стержня коаксиальной части вывода энергии в области трансформатора типов волн не значительно увеличивает уровень КСВН.
Показано, что совокупность отклонений, которые по отдельности не вносят значительные влияния на уровень КСВН, может приводить к высокому уровню КСВН и забракованию изделия. Так при наличии галтели в области трансформатора типов волн, а также отклонении шага переходного витка спирали, при величине щели в паяном соединении 0,2 мм уровень КСВН превышает 1,4.
Литература:
1. Гилмор А. С. Лампы с бегущей волной //М.: Техносфера. — 2013.
2. Шалашова, Д. Л. Влияние дефектов узлов и деталей вывода энергии ЛБВ на уровень КСВН / Д. Л. Шалашова, // Гагаринские чтения — 2024: Сборник тезисов докладов L Международной молодежной научной конференции, Москва, 9–12 апреля 2024 года. — Москва: Издательство «Перо», 2024. — С. 377–378.
3. ANSYS HFSS | Электромагнетизм | CAE Expert // ANSYS в России и СНГ | CAE Expert URL: https://cae-expert.ru/product/ansys-hfss/ (дата обращения: 21.07.2024).
