книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот
..pdfПросачивающаяся мощность плоской части импульса может быть определена по данным измерения Рi„3M и Р2пзм согласно выражению
Япрпл = ^ - ( Я 1н = м - Я !нам), |
(7.36) |
где Рцрпл—просачивающаяся мощность плоской части импульса, мквт.
Тепловые режимы электронных приборов СВЧ в ап паратуре необходимо измерять, если температура окру жающей среды близка к предельно допустимой, конст руктивное расположение блоков или электрические ре жимы работы приборов вызывают перегрев баллона, отдельных электродов и других элементов аппаратуры.
Оценка тепловых режимов большинства приборов СВЧ может быть произведена путем измерения темпе ратуры корпуса (баллона) в обычных лабораторных, заводских или полигонных условиях (при температуре окружающей среды 154-20° С и давлении ~ Ю5 н/м2) при наиболее тяжелом эксплуатационном электрическом режиме работы. Затем -приближенными расчетами мож но ввести поправки и определить тепловой режим при повышенных температурах и в условиях пониженного атмосферного давления.
Так, если на аппаратуру задана предельная темпера тура окружающей среды Тпред, а температура воздуха при измерении режимов равна Токр, то приближенно максимальная температура нагрева прибора может быть вычислена согласно выражению
Тумане 52 Твам “Ь (Тпред |
Т окр)> |
(7.37) |
||
где Г'макс и 7„эм — расчетное и |
измеренное |
значения |
||
температуры |
корпуса прибора или |
|||
окружающего воздуха, °С. |
||||
При пониженном |
атмосферном |
давлении |
(4—6,5) X |
|
ХЮ3 H/JW2, учитывая |
конвекционный |
способ |
теплопере |
|
дачи, максимально возможная температура корпуса прибора может быть рассчитана по формуле
Т"„аио ~ 7 „ а„ + 4,5 (Г„а11 - |
Го„р) -Д |
- . (7.38) |
где Tim И Токр — измеренные значения |
температуры |
|
корпуса прибора |
и окружающего воз- |
|
духа при нормальном атмосферном давлении ро;
Рм ш — минимальное давление окружающей среды, при котором необходимо опре делить температурный режим прибора.
Температуру окружающего воздуха наиболее просто измерять ртутным или -спиртовым термометром. Воздух в малых объемах и вблизи приборов, а также темпера туру корпуса (баллона) прибора рекомендуется изме рять термопарами или -с помощью термометров сопро тивлений, обеспечивающих измерение температуры до 250—300° С с погрешностью 3—5° С.
Измерение температуры корпуса должно произво диться в наиболее нагретойчасти, например, у магне тронов — в месте вывода ВЧ энергии, клистронов, ЛБВ
и ЛОВ — вблизи |
электронной пушки или |
коллекто |
ра и т. п. |
|
|
В тех случаях, |
когда к корпусу прибора |
(кристалли |
ческого детектора, окнам связи резонансных разрядни ков и т. п.) трудно присоединить термопары, оценивают температуру элементов или креплений вблизи располо жения прибора (кристаллодержатель, фланцы резонанс ных разрядников и т. п.).
При измерении тепловых режимов приборов СВЧ с помощью термопар следует учитывать, что из-за вы сокочастотных наводок могут иметь место значительные погрешности измерения. Для исключения этих погреш ностей отсчет температуры необходимо производить при кратковременном выключении источника ВЧ колебаний.
В тех случаях, когда трудно присоединить термопа ры и термосопротивления в местах измерения темпера туры, для оценки теплового режима можно воспользо ваться термокарандашами или термокрасками, обеспе чивающими индикацию температуры в пределах от 140 до 600° С при погрешности отсчета по изменению цвета до и после воздействия температуры около 10° С.
7.3. ОЦЕНКА МЕР ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ .
Наряду с электрическим и тепловым режимами су щественное влияние на надежность и стабильность ра боты электронных приборов оказывают: механические
351
воздействия, давление, влажность, температура, про никающие излучения, биологические факторы. В связи с этим в аппаратуре, как 'правило, принимают специаль ные меры по защите, электронных приборов сверхвысо ких частот от воздействия влияния внешней среды. Устойчивость аппаратуры в целом к воздействиям внеш ней среды проверяется при механических, климатиче ских и других -видах испытаний. Однако в полной мере это не позволяет оценивать эффективность мер защиты электронных приборов ОВЧ от дестабилизирующих воз действий внешней среды.
Установившихся методов оценки эффективности за щитных приспособлений нет, поэтому могут быть даны лишь предварительные соображения о подходе к прове дению подобной оценки.
В реальных условиях эксплуатации приборы испыты вают следующие механические воздействия:
—-вибрацию;
—удары;
—акустичеокие шумы.
Каждый из указанных видов механических воздейст вий имеет различные физические свойства, которые по-разному влияют на прибор и требуют применения специальных мер защиты. Например, в условиях дли тельных вибрационных перегрузок может проявиться эффект усталости материала электродов, элементов кон струкции, приводящие к выходу прибора из строя. Уда ры возбуждают в элементах конструкции колебания в широком спектре частот, что вызывает на собственных (резонансных) частотах большие амплитудные переме щения элементов конструкции, их замыкания, появления свободно перемещающихся частиц, нарушающих нор мальную работу приборов и приводящих также к преж девременному их отказу. Акустические шумы по своему воздействию подобны вибрациям и ударам, только на более высоких частотах. Они создают амплитудно-ча стотную паразитную модуляцию колебаний, дополни тельные шумы и могут из-за механических перемещений внутри прибора привести к отказу или ухудшению его параметров. Особенность акустических шумов, связан ная с передачей колебаний по воздуху, требует примене ния специальных экранов и каскадов для ослабления их действия. Защита от вибрационных перегрузок и ударов
352
наиболее эффективна с помощью амортизаторов, кото рые широко применяются при конструировании радио электронной аппаратуры.
Обычно амортизируются блоки и отдельные узлы аппаратуры. При этом количество амортизаторов и их расположение считается выбранным правильно для изо ляции вибрационных нагрузок, если собственная часто та блока или узла, з которой расположен электронный прибор, выбрана ниже частоты внешних механических воздействий.
% работе В. И. Ильинского {44] даны методы расчета эффективности виброизоляции и приведены описания конструкции и основных характеристик амортизаторов.
Правильность применения виброизоляции может быть оценена по так называемому коэффициенту виброизоляции, определяемому как отношение сил, дейст вующих на блок при наличии и отсутствии амортизато ров. Этот коэффициент определяется выражением
^ |
/ у у л у . |
<7-з9> |
|
где у — отношение |
возбуждающей |
частоты к |
собст |
венной; |
|
колебаний. |
|
D — коэффициент демпфирования |
|
||
При D = 0 коэффициент виброизоляции |
|
||
|
|
|
<7-4°) |
Иногда вводят величину эффективности или |
к. п.д. |
||
изоляции, определяемую выражением |
|
|
|
Э = ( 1 - 1))100>/,=-угт100*/,. |
(7.41) |
||
Зависимости коэффициентов виброизоляции |
пред |
||
ставлены на >рис. 7.22. Отсюда следует, что амортиза торы являются эффективными при у = 2 —2,5.
Для значений у > 5 амортизаторы |
резко усложняют |
|
ся, а эффективность |
их мало увеличивается, поэтому |
|
имеется оптимальная |
область значений у для амортиза |
|
торов, которая на рис. 7.22 показана |
заштрихованной. |
|
2 3 -1 2 4 |
353 |
В общем |
случае механические ускорения g связаны |
||||
с амплитудой смещения А и частотой / выражением |
|||||
|
S |
- |
W |
, |
(Г .4 2 ) |
где А в *лш |
и f ’в гц, |
g |
в |
единицах ускорения силы |
|
тяжести. |
этой зависимости показаны |
iHa рис. 7.23. |
|||
Графики |
|||||
Для определения показателей вибрационных воздей |
|||||
ствий можно пользоваться |
|
номограммой, |
приведенной |
||
в приложении 7. |
|
|
|
|
|
Рис. 7.22. Зависимость коэффициентов ц н 3 от соотношения между частотой механического воз буждения и собственной частотой блока (узла).
Для электронных приборов, реагирующих на широ кий диапазон частот вибрации, наиболее существенным показателем является ускорение.
Следует отметить, что вибрационные воздействия необходимо оценивать в местах установки электронных приборов. Встречаются случаи, когда оценка по амор тизация всего блока, в котором установлены приборы СВЧ, является недостаточной. Например, внутри блока, поблизости от электронного прибора, расположен вен тилятор, сельсин или другой механизм, создающий ме ханические вибрации. В этих случаях или когда аморти-
354
заторы не изолируют от частот -вибрации, опасных для прибора, возникает необходимость местной амортизации только одного прибора СВЧ.
В связи с тем, что воздействует на прибор ускоре ние, особенно опасными для надежности приборов яв ляются толчки и удары, при которых ускорения могут
Рис. 7.23. Графики зависимости ускорения от частоты вибрации при различных амплитудах смещения.
достигать 500—1 000 g. Для ослабления их действия на электронные приборы применяют мягкие амортиза торы, т. е. амортизаторы, допускающие большие де формации.
Как показывает анализ {44], смещение амортизируе
мого блока |
принимает |
наибольшие |
значения. при |
|
у=0,4-И ,41 |
(рис. 7.22) |
и |
когда время |
действия удар |
ного импульса равно |
|
|
|
|
|
*„ = |
(0,3 ч-1,3) 7\ |
(7.43) |
|
где Т—период собственных колебаний амортизируемого блока.
355
Амортизатор |
для изоляции действия |
ударных |
на |
грузок должен |
иметь значения 0,77 |
/„ < Г < 3 ,3 |
tn. |
Для более строгого выбора амортизатора для изоляции ударных нагрузок необходимо знать -величину перегруз ки и длительность их действия, а также собственные ча стоты амортизованного узла (блока) и его коэффици ент демпфирования.
Для ослабления механических воздействий применя ют амортизаторы разных конструкций: резиновые, ре зиново-металлические и металлические, а также разно образные прокладки из резины и других упругих мате риалов. Сами амортизирующие устройства должны быть рассчитаны на условия эксплуатации: перепады темпе ратуры, изменение давления, влажности, проникающую радиацию и т. п.
При применении резиновых амортизаторов следует учитывать, что они теряют свои антивибрационные ка чества при низких температурах, при попадании на них масел,-воздействии радиоактивных излучений.
Следующим важным внешним фактором, опреде ляющим устойчивость работы приборов СВЧ, является давление окружающей среды. Абсолютная величина давления окружающего воздуха имеет значение для теплового режима работы приборов, электрической прочности и стабильности параметров приборов, обла дающих барометрическим эффектом.
Вопросы влияния давления на тепловой «режим и па раметры приборов рассматривались выше применитель но к отражательным клистронам -и частично к триодам СВЧ и магнетронам (гл. 2, 3 и 4). Ниже несколько под робнее остановимся на влиянии давления на электри ческую прочность высокочастотных линий передач.
.Для прямоугольных волноводов, возбуждаемых вол
ной Hoi, |
максимальная |
величина передаваемой 'мощно |
|
сти при |
нормальном |
атмосферном давлении |
опреде |
ляется соотношением [45] |
|
||
|
Я = 6,63.10-* a b { ^ j E l KC, |
(7.44) |
|
где а и b — ширина и высота волновода;
Яо и Яв— длина волны в свободном пространстве и волноводе;
£маио — напряженность электрического поля в сере дине волновода.
В соответствии с данной формулой на рис. 7.24 по казана зависимость максимальной мощности, переда ваемой по волноводам стандартного сечения, от часто ты при нормальном атмосферном давлении.
Если высота волновода отличается от стандартных
размеров и в |
линии имеет место рассогласование, |
то в формулу |
(7.44) необходимо вводить поправки. |
Рцмр,к8т |
|
Рис. 7.24. Зависимость максимально допусти мой мощности, передаваемой по однородному прямоугольному волноводу, от частоты при нормальном атмосферном давлении.
При понижении давления окружающей среды мак симально допустимая мощность, передаваемая по вол новоду, падает. На рис. 7.25 показана 'подобная зависи мость для стандартного волновода 3-см диапазона.волн. Эти данные заимствованы из работы (45], в которой также показано, что максимальная ‘передаваемая мощ ность или пробивное напряжение Е зависит от прони кающей радиации, обусловливающей ионизацию возду ха внутри волновода, а также зависит от длительности импульса т и частоты следования F. Последнее опреде ляется следующей эмпирической зависимостью:
_ L 2 _ |
(7.45) |
= 5 6 0 0 - -с 6 F '\ |
где р — давление, н[м2;
357
t, мксек;
£, тыс. имп/сек;
£ , efcM.
Зависимость (7.45) справедлива |
при условии |
Ь (см) ■А(см) • Р (й/лг) > |
6 650, |
где Я — длина волны, см; |
|
Ъ— высота волновода, см. |
|
Р,н8т
Рис. 7.25. Зависимость максимальной мощности, пе редаваемой по однородному волноводу, от давле ния (Х=3 см, т=1 мксек, F = 500 имгЦсек) в обыч
ных (условиях (верхняя кривая) и при радиоактив ном облучении (нижняя кривая).
В случае передающей линии произвольного типа за висимость относительной мощности P/PQ о т пробивного напряжения £ пР и КСВ k выражается формулой [46]
Р_
Р% ‘
(7.46)
где Р0, — величины, относящиеся к идеально согла сованному волноводу k ~ \ при нормаль ном атмосферном давлении;
Р, k, £пр — величины, относящиеся к реальному .вол новоду при заданном атмосферном дав лении.
358
Зависимость PjPo от -высоты показана на «рис. 7.26. Для больших высот подобная за-висимость дана в прило жении 5. Пробивное напряжение изменяется пропор ционально плотности воздуха. Поэтому для оценки допу стимости используемых передающих линий на различных высотах можно пользоваться параметрами стандартной атмосферы СССР. На рис. 7.27 показаны графики изме нения давления, температуры и относительной плотности воздуха в стандартной атмосфере [47].
Wo
Рис. 7.26. Изменение максимально допусти мой относительной мощности, передаваемой по передающей линии в зависимости от ■
высоты.
Всвязи с наличием неоднородностей в передающих линиях и значительных КСВ, обусловливающих высокие напряженности поля в отдельных местах линии, при больших уровнях мощности необходимо в ВЧ трактах создавать избыточные давления. Уровень избыточного давления для передающих линий при импульсной мощ ности 100 кет может быть выбран в соответствии с рас-, четным графиком, показанным на рис. 7.28 [58].
Всвязи со значительной протяженностью -передаю щих линий для них обычно вводят специальную герме тизацию и автономную систему нагнетания воздуха для создания избыточного давления, поддерживаемого неиз менным в процессе эксплуатации аппаратуры.
Вместах расположения электронных приборов СВЧ
иэлементов высоковольтных источников питания герме-
359