ЛР2 / ЛР2

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МВЭ

отчет

по лабораторной работе №2

по дисциплине «Микроволновые технологические и энергетические системы»

Тема: Экспериментальное исследование характеристик магнетрона средней мощности

Студент гр. 9201		Рауан М.
Преподаватель		Иванов В. А.

Санкт-Петербург

2023

Основные теоретические положения. Принцип работы диэлектрических трансформаторов. Их аналоги в других диапазонах электромагнитного спектра.

Теория электромагнитного поля, в частности уравнения Максвелла, исходит из принципа равноправия электрической и магнитной компонент. Однако, исторически сложилось так, что людям давно были известны вещества (ферромагнетики), в которых индукция магнитного поля в тысячи и десятки тысяч раз больше, чем в свободном пространстве, а аналогов для электрического поля (исключая проводники, в которых этот коэффициент формально равен бесконечности) до последнего времени известно не было.

Это привело к тому, что в технике магнитные цепи работают с магнитными потоками, а электрические  с токами проводимости. Открытие сегнетоэлектриков и дальнейшие работы в этом направлении привели к возможности ликвидации этой исторической несправедливости.

В настоящее время существуют диэлектрики, индукция электрического поля в которых в тысячи и десятки тысяч раз превышает индукцию в свободном пространстве. А это позволяет строить электрические цепи на управлении потоком электрической индукции («токов смещения») совершенно аналогично магнитным цепям, ведя расчеты по аналогичным формулам.

В частности, появляется возможность трансформации электроэнергии без проводящих обмоток, содержащих большое, а порой просто чудовищное (для высоких напряжений) количество витков проводника. Таким образом возникает возможность создания трансформатора, в котором «электрические обмотки» представляют собой спирали из соответствующего диэлектрика, к концам которых подводится электрическое напряжение, размещенные на соответствующей магнитной цепи.

Требования к электрической части трансформатора точно такие же, как и для магнитных цепей: эффективная длина обмотки много меньше воздушных зазоров. Коэффициент трансформации определяется отношением количества витков во вторичной цепи (при этом совершенно неважно, в какой цепи - электрической или магнитной конструктивно созданы эти витки) к количеству витков в первичной цепи.

Трансформируемая мощность определяется величиной потоков ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И МАГНИТНОЙ индукций, т.е. сечение и «электрической», и «магнитной» части цепей рассчитывается так же, как ранее рассчитывалось сечение магнитопровода.

Пусть рассматривается коаксиальный трансформатор с двумя диэлектрическими пластинами (шайбами), схематически изображенный на рисунок А. Каждая из этих шайб имеет протяженность , где  относительная диэлектрическая проницаемость материала шайбы и  рабочая длина волны в свободном пространстве. Для волноводного трансформатора необходимо учесть длину волны , определяемую соотношением вида . Шайбы могут перемещаться как одна по отношению к другой (изменение L), так и совместно при неизменном расстоянии между ними.

Если шайбы сдвинуты вместе, то участок линии, заполненный диэлектриком, составляет половину длины волны и, следовательно, трансформация сопротивления отсутствует. При расстоянии L между шайбами, равном четверти длины волны, трансформация сопротивления оказывается наибольшей. Можно показать, что максимальная величина КСВ, при которой возможно согласование с помощью такого трансформатора, равна квадрату относительной диэлектрической проницаемости вещества, из которого изготовлены пластины трансформатора.

Для изготовления описанных трансформаторов используют диэлектрики со сравнительно высокой диэлектрической постоянной и малыми высокочастотными потерями, например, плавленый кварц. Полагая для кварца , можно сделать вывод, что предельная величина КСВ трансформатора составляет около 15.

Ход работы

1. Чтобы проанализировать зависимость мощности в нагрузке при КСВ от 1 до 10, нужно воспользоваться: Формула для расчета КСВ через коэффициент отражения Г:

Формула для расчета мощности через коэффициент отражения Г:

Пример расчета:

2. Построим графическую зависимость в программе Origin:

Рисунок 2 – Зависимость КСВ от мощности в нагрузке

3. Рассчитаем коэффициент отражения в измерительной плоскости магнетронного зонда для диапазона 2.3…2.6 ГГц

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента отражения в измерительной плоскости магнетронного зонда для диапазона частот 2.3…2.6 ГГц

Рисунок 4 – КСВ в измерительной плоскости магнетронного зонда для диапазона частот 2.3…2.6 ГГц

Рисунок 5 – Диаграмма Рике

Рабочие характеристики СВЧ генератора, в частности магнетрона, отражаются на диаграмме Смитта. Нагрузочная характеристика магнетрона отражает зависимость мощности генерируемой магнетроном , от величины нагрузки . Представление этой зависимости на круговой диаграмме сопротивлений называется диаграммой Рике. Традиционно диаграмма представляется изолиниями постоянной мощности и частоты, как показано на рисунке 4 для магнетрона LG 2M214.

На рисунках 1 и 2 видно, что у магнетронного зонда довольно хорошее согласование. КСВ будет уменьшатся при приближении к рабочей точке, так как при высокой передачи мощности в нагрузку значение КСВ будет малым.

4. В чём проявляются основные недостатки магнетрона при создании микроволновых технологических установок?

В качестве СВЧ источников в микроволновой промышленности применяют магнетроны. Магнетроном - это такой электровакуумный прибор со скрещенным электрическим и магнитным полем, в которым замкнутый электронный поток взаимодействует с СВЧ полем замкнутой колебательной системы. Имеют высокий КПД (75-85%), широкий диапазон частот (0,5 – 100 ГГц).

Магнетрон представляет собой вакуумный диод с накалом, резонаторной системой и системой вывода СВЧ энергии. Анод магнетрона, представляет собой сплошной цилиндрический блок, разделённый на сегменты щелями образующие резонаторную систему. Катод магнетрона имеет цилиндрическую форму и расположен внутри анода, вдоль его оси. Постоянное магнитное поле В направленно перпендикулярно электрическому полю. Электрическое поле, формирующееся между катодом и анодом, и представляет собой постоянное или периодическое напряжение, которое создаёт электрическое поле, перпендикулярное к направлению магнитного поля. Вывод СВЧ энергии производится обычно от одного из резонаторов.

Существует 2 подхода к выбору магнетронов при проектировании установок:

1. Использование одного магнетрона высокой мощности. При таком подходе энергия магнетрона по волноводам передаётся на обрабатываемый продукт. При такой конструкции возможны проблемы с неоднородностью нагрева. Преимущества такого подхода состоит в том, что уменьшается сложность системы управления, но возрастает требование к конструкции волноводов, системе зашиты магнетрона от отражённой волны (при ухудшении КСВ), высокие требования к источнику питания, что приводит к росту цены за 1 кВт СВЧ энергии.

2. Использование суммирования мощности магнетронов средней мощности, к примеру, входящих в комплектацию бытовых микроволновых печей. Магнетроны, входящие в комплектацию бытовых печей, работают на частоте 2450 МГц и имеют выходную мощность 1000 Вт. При таком подходе из-за равномерного размещения генераторов по объёму, снимается часть проблем, связанных с неоднородностью нагрева. Однако, увеличение количества источников мощности требует создания системы управления этими источниками и отслеживания согласования каждого из генераторов с нагрузкой. Источник питания таких магнетронов массово выпускаются промышленностью, тем самым снижается стоимость 1кВт СВЧ энергии.

Выводы.

В ходе выполнения данной лабораторной работы были исследованы характеристики магнетрона при работе на несогласованную нагрузку. Изучены разновидности высоковольтных блоков питания. Исследована связь формы тока магнетрона с уровнем КСВ в нагрузке.

Построены зависимость коэффициента отражения в измерительной плоскости магнетронного зонда для диапазона частот 2,3...2.6ГГц и КСВ в измерительной плоскости магнетронного зонда на том же диапазоне частот. Сравнены полученные параметры с параметрами спецификации, представленные производителем.