Исследование мощных резервированных транзисорных ВЧ генераторов, применяемых в технике физического эксперимента тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

. I о ОД

< : V АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

4 I ! I

ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ АН УКРАИНЫ

ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩНЫХ РЕЗЕРВИРОВАННЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ ВЧ ГЕНЕРАТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ТЕХНИКЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

эксперимента» физика приСоров . автоматизация исследований!)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

На правах рукописи УДК £21.373.01 621.384.644

СОБКО Леонид Андреевич

С 01. 04.. 01

техника

Сумы - 1994.

- 2 -

Работа выполнена в Институте прикладной физ АН Украины, г.Сумы Научный руководитель:

д. т. н. Савченко И. С. , Институт приклад*-физики, г.Сумы. Официальные оппоненты:

1. Л. ф.-м. н. , профессор Репа лов Н. С. , Харькове кий физико-технический институт, г.Харьков:

2. Д. т. н. , профессор Володченко Г. С. , Сумский государственный университет» г.Сумы.

Ведущая организация: -НИИ электронной

микроскопии, г. Сумы.

Защита диссертации состоится "УД ". . . . 1994 /5" ОС

в / V. . . часов на заседании специализированно] совета К22. 01. 01 в Сумском государственном ун! верситете 6 аудитории ЭТ'2/6.

Адрес: 244007, Сумы, ул. Римскоге Корсакова, 2, тел: 33-34-С С диссертацией можно ознакомиться в Библиотеке Сумского государственного1 университета.

Автореферат разослан "РЯ" . . 1994,

Просим принять участие в работе совета I прислать отзыв в одном экземпляре, заверен* печатью организации. Ученый секретарь спецсовета ^ К22. 01. 01, к. ф. -м. н. Т^Гч"4 ФлаТ А

В данной работе рассмотрены и исследованы эосы применения в технике физического эксперта мощных резервированных транзисторных ВЧ ораторов.

Актуальность темы. ВЧ генераторы являются

м из наиболее распространенных узлов электрических установок. Традиционно выходные :ады ВЧ генераторов выполнялись с применением 1. В настоящее время достигнуты значительные •хи в конструирований мощных радиочастотных 'проводниковых приборов. Обладая рядом неоспо-IX преимуществ перед электровакуумными прибо-

I С надежность» стойкость к механическим воз-твиям» мгновенная готовность к работе) , они

9

авляют ощутимую конкуренцию электровакуумным эрам, особенно для автономных систем ВЧ пия с жестким ограничением по весо-габаритным зателям. Для достижения уровней мощностей колебаний 1...100 кВт используют суммирова-мощностей отдельных транзисторных ВЧ генера-в, а для гарантированного обеспечения мощнос-

нагрузке, при заданной надежности работы грофизической установки» необходимо избыточ-количество М резервных генераторов. В ряде

- 4, -

случаев» например» в системе ВЧ питания линейно го ускорителя ионов, треОования к стабилизации амплитуды ВЧ поля в резонаторе очень высоки С"" 0,1 >£). Хотя схемо-техническим реализациям га речисленных выше требований С стойкость к механ; ческим воздействиям» суммирование мощностей, во можность резервирования, стабилизация выходны: параметров» минимизация весо—габаритных показать лей) посвящено Большое количество работ» в наст* щее время трудность разработки ВЧ генераторов д/ электрофизических установок состоит в том» что > рошо развитые способы суммирования мощностей Е генераторов практически не решают вопросы их р зервирования» и тем солее стабилизации выходны: параметров резервированной системы ВЧ генерат Целью работы является совершенствование вс можностей метода суммирования мощностей транз торных ВЧ генераторов а общей резонансной нагру ке (резонатор линейного ускорителя). В связи < этим» программа исследований была ориентирова» на решение следующих основных вопросов:

а) Теоретический анализ эквивалентной схе согласования " N основных и М резервных генератор с общей резонансной нагрузкой» определение ус.у, вий оптимального согласования;

б) Оптимизация резервированной системы Е

•ания по весо-гаОаритным показателям введени-

начальной расстройки оСщей резонансной на— ■зки;

в) Анализ поведения резервированной системы при отказах генераторов;

г5 Численное моделирование переходных пропсов при отраВотке ступенчатого возмущения ре-»ной системой авторегулированйя с синфазно/про-юфазной коммутацией дополнительной ВЧ мощнос-

д5 Разработка и конструирование Оазового ванта транзисторного ВЧ. генератора;

еЭ Экспериментальное подтверждение получен-{ теоретических результатов.

Методика исследования состоит в теоретиком анализе эквивалентной схемы мощного ре-вированного транзисторного ВЧ генератора, при-

ч

«ении численного моделирования для анализа пе -:одных процессов и экспериментальной проверки ультатов анализа.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Получены аналитические выражения для ювий оптимального согласования резервирован -о транзисторного ВЧ генератора с оСщей реэо-(сной нагрузкой.

2. Показано, что при введении начальной рас-

стройки резонатора гарантированно обеспечивается мощность в нагрузке при минимальном количестве резервных генераторов. Получено ее аналитическое выражение.

• 3. Получено теоретическое обоснование возможности обеспечения прецизионной точности С "" Оь1Ю стабилизации амплитуды ВЧ полей в резонаторе линейного ускорителя ионов путем син— фазно/протйвофазной коммутации мощности резервных транзисторных ВЧ генераторов.

Практическая ценность заключается в разра-

ботке и конструкторско-технологической проработке базового образца транзисторного ВЧ генератора , позволяющей использовать его в качестве исходного элемента для дальнейшего наращивания мощностей. Применение полученных аналитических выражений для условий оптимального согласования и вводимой начальной расстройки резонатора позволит разработчику и исследователю использовать меньшее количество избыточных генераторов для гарантированного обеспечения требуемого уровня мощности в нагрузке при заданной надежности. По результатам теоретических расчетов и выполненных в диссертации экспериментов сделаны конкретные выводы о применимости мощных резервированных транзисторных ВЧ генераторов в техникё физи-

■ского эксперимента.

АпроОация работы. Апробация материалов дис-ртации проведена на научно-технической конфе-нции в Сухумском физико-техническом институте 1988г. , на Всесоюзном семинаре по линейным ус-рителям заряженных частиц в г. Харькове в 1989г. на научных семинарах в Институте прикладной 1зики АН Украины (г. Сумы) .

Публикации. Материалы диссертации опублико-ны в 5 печатных работах С одна статья и четыре торских свидетельства на изобретения!).

Объем и структура диссертации. Диссертация стоит из введения, пяти глав, общих выводов и иска цитируемой литературы, включающего 83 на-енований работ. Работа изложена на 138 страни-х машинописного текста, содержит 44- рисунок и таблиц.

Основные положения, представляемые к защите.

тор защищает результаты работ по теоретическому экспериментальному исследованию мощного резер-рованного транзисторного ВЧ генератора:

1. Аналитические выражения для условий опти-льного согласования N транзисторных ВЧ генера-ров при работе на общую резонансную нагрузку.

2. Аналитическое выражение для начальной сстройки резонансной нагрузки, вводимой с

целью уменьшения количества резервных генер£ ров для гарантированного обеспечения требуемо уровня мощности в нагрузке.

3. Способ резервирования транзисторных генераторов при их работе на общую резонанс! нагрузку» обеспечивающий меньшее количество I быточных генераторов.

4. Возможность обеспечения прецизионных ностей стабилизации амплитуды ВЧ полей в рез торе линейного ускорителя ионов С"" 0.1 >£> синфазно/противофазной коммутации избытс установленной ¿резервной) мощности транзист генераторов.

5. Конструкцию базового образца транзис ного ВЧ генератора и результаты эксперимент ных исследований» подтверждающие теоретиче анализ.

Содержание работы. На основе анализа сов{

ного состояния полупроводниковой элементной I проведена конструкторская и технологическая работка модуля транзисторного ВЧ генератора» вечающего требованиям минимизации весо-габ ных показателей при дальнейшем суммировании ностей ВЧ генераторов. При разработке мс транзисторных ВЧ генераторов» применяемых в нике физического эксперимента» предлага

-е- •

пользовать N основных и М резервных идентичных нераторов, суммирование мощностей которых про-зодится в общей резонансной нагрузке (например, резонаторе линейного ускорителя). оОенностью анализируемой схемы является отсут-зие явно выраженных избирательных цепей в кол-кторах ВЧ генераторов. Пересчитанные к . выход-му сечению транзистора импедансы всех ос-пьных СN+1*1-1) ВЧ генераторов, представляют со-I резонансную нагрузку на рабочей частоте для кдого генератора.

В этом случае, при комплексно-сопряженном ■ласовании сопротивлений для сечений, в кото-с а 13е С г Э=г, определены условия опти-

тьного согласования Спередача максимальной мощ-:тиЭ N ВЧ генераторов при работе на общую ре-ансную нагрузку:

ЫЯХ tgв п2Х X 1

дб = X - —-—;----=----- —- - — , где:

п г И ЫИг г X

д0 - волновое сопротивление и электрическая длина согласующей линии;

г - внутреннее сопротивление единичного генератора ;

X - реактивное сопротивление выходной емкости транзистора;

Я - шунтовое сопротивление нагрузки на рез

нансной частоте; п - коэффициент трансформации. Мощность в нагрузке при выполнении вышеприве денных условий оптимального согласования для Ь генераторов равна ЫР1.

В автономных системах необходимая мощность ЫР должна сыть обеспечена в нагрузке с учетом требе ваний по надежности, предъявляемых к системе В питания С наработка на отказ, время безотказной работы и т.п.). То есть» автономная система В питания должна обладать избытком СМ) генераторо!

Качественный анализ показывает. что пр настройке всех N+1*1 генераторов на режим отдач максимальной мощности» после отказа М генератор из-за рассогласования, мощность в нагрузке ока жется ниже уровня ЫР±.

Очевидно, что при таком подходе» для гаран тированного обеспечения требуемого уровня мощ

ности» при отказе М ВЧ генераторов» потребуете! #

их избыток М > М, что приведет к ухудшению в* габаритных показателей системы ВЧ питания.

Исключить это противоречие предлагаете предварительной расстройкой резонансной нагрузки с таким расчетом, чтобы при отказе М ВЧ генера торов оставшееся количество работающих N генера

ров оказались в режиме отдачи максимальной щности в нагрузку.

Вводимая начальная обобщенная расстройка щей резонансной нагрузки Ц определяется из ловия компенсации вносимого сопротивления 2 <Ю стороны неисправных М генераторов: Я

2(М) пЛШЪцд -X) Для анализа зависимости мощности в нагрузке • числа неисправных генераторов "га", в эквива-;нтной схеме подключения работающих СМ + М - ш) 'Нераторов со стороны резонансной нагрузки с эмощью классической матрицы передачи, связываю-

■ • а . а

iЛ выходные величины ин, Гн с входными Е«,1а, 1ределяется напряжение на нагрузке:

}н = Е* 3.12/1н), где:

« • ■ ■

'н = 2р2(т)/12р + 2 < га) □ = 13/41 + ^ср/г(ш) -

,, . п2(ЫЪдв - X) [ (ш > = ------

ш(1 + ХЪдв/ Н)

мощность в нагрузке РнММРлр (М, т>,

где: рС М, т > = Рн/^Р*-эказывает изменение мощности в нагрузке относи— »льно заданного уровня ЫР1, в зависимости от ко-лчества резервных и неисправных генераторов, э результатам численного математического моде-ированиа зависимости рС М,и), делается вывод

о том» что при введении начальной расстройки система ВЧ питания, состоящая из N основных и 1 резервных генераторов, обеспечивает заданный урс вень мощности ЫР* в нагрузке при большем числе отказов генераторов по сравнению со случе когда £ - О.

Экспериментальная проверка рассмотрение: выше схемы суммирования мощностей проведена п] работе 4-х идентичных транзисторных ВЧ генерато ров на общий резонатор ускорителя С N=2, 1*1=2 с продольным Н-гюлем. Генераторы выполнены биполярных транзисторах 2Т980А с базовыми и кoJ лекторными согласующими цепями в виде отрезко симметричных гсолосковых линий. Проведено сра нение теоретических и экспериментальных зав: мостей мощности в нагрузке от числа неисправны генераторов т = 0,1, -.4. Величина отклонение составляет не более Ю %.

Высокие требования к стабильности электромагнитных полей линейных ускорителей с одне стороны, а с другой - широкое распространение ; технике релейных принципов автоматического регулирования, характеризующихся простотой реализации и высоким быстродействием, делают актуальны исследования возможностей применения таких принципов для стабилизации ВЧ полей в высокодоброт-

ных резонаторах.

Появление разнообразных возможностей создания релейных элементов на новых принципах, не требующих контактных устройств, придает релейным системам новые свойства.

Релейное авторегулирование амплитуды ВЧ поля резервированной системы может быть основано на дискретном изменении вводимой в резонатор мощности, например, за счет " синфазно^противофаз-ной коммутации избыточных М резервных генераторов по отношению к основным N генераторам, обеспечивающим в нагрузке необходимый уровень мощности ЫР1.

Анализ показывает, что исследование автоко-л ебаний, присущих релейному регулированию и модулирующих амплитуду высокочастотного поля в резонаторе линейного ускорителя ионов, можно вы— выпололнить с помощью эквивалентной схемы возбуждения резонатора ускорителя, в которой приведена нормировка параметров относительно уровня поля, обеспечиваемого основными усилителями, а эквивалентные параметры генераторов приведены к резонатору, исходя из условия их полного согласования. При этом вводятся следующие обозначения:

т

С - отношение коммутируемой и основной мощности е С*;) = П-е-***^ } Со 5(1^+0 ) - эквивалентнь

N N

генератор напряжения с экспоненциальным законо* включения, моделирующий суммарное воздействие ! основных ВЧ генераторов;

- эквивалентный коммутируемый генератор * пряжения, моделирующий суммарное воздействие резервных ВЧ генераторов.

Переходная характеристика генератора е^С t.' определяется способом коммутации мощности. Так при синфазно/противофазных переключениях в I-менты времени t :

е ^^-а-е-0«1^. Г<-1)1С1-е"аыЛ~1Ли<4-4.) >х м 1

ХС0 5 (бЛ- р ) N

1 (■Ь)=А1и(,Ь^ )Со5<оуЬ-<р )- возмущающий генерат< В в в

тока со ступенчатой переходной характеристикой;

Ъ - момент включения генератора тока;

Д1 - амплитуда генератора тока, равная коэффици

енту нагрузки резонатора по мощности;

1Н1:Н; ) - единичная фунхция с запаздывающим ар

гументом ;

0,<>,0 - начальные фазы эквивалентных ген

N М В

ра торов е^С t), е^СЪ) и ^ ) соответственно; а , а - коэффициенты затухания эквивалентна

N М

контуров генераторов.

Переходные процессы в резонаторе при релейнс

регулировании описываются уравнением:

аз

— =4а и со+и2

р р р

Се СЪЭ+?е СО]-м 4 и

м

о

: ЬЭ - мгновенное значение напряжения на эквива-

Решение приведенного уравнения, полученное етом преобразования Лапласса, для нормирован-комплексной амплитуды в функции от периодов кой частоты и С тЭ, описывает процесс нараста-поля в резонаторе при включении генераторов, новление автоколебаний и отработку возмуще-

амплитуды» при атом, моменты переключения : соответствуют точкам пересечения переходной ктеристики с номинальным уровнем, задаваемым ным напряжением в цепи авторегулирования.

Проведен анализ примеров численного модели-ния по формуле переходных процессов а резона-ускорителя с <1 а« 10? при различной реличи-озмущений Д1. Их. характер существенным, об-ч зависит от запаздывания сигнала в цепи ав-гулирования:

1тном резонансном контуре;

«»> — затухание и резонансная частота контура. Р

-16« тзап = О - колебания амплитуды носят затуха-ий характер;

I О - возникают незатухающие колебания,

тичина которых зависит от соотношения мощнос-I М и N генераторов примерно линейно С при = 20 периодов ВЧ размах автоколебаний дости-;т примерно 0,3 */£>.

Быстрые возмущения подавляются . примерно в раз,а статический коэффициент стабилизации по ■днему уровню поля превышает 100. Работу сис-1Ы авторегулирования ухудшают автоколебания: кое увеличение мощности регулирования, с целью ширения динамического диапазона, сопровождая снижением точности стабилизации.

Анализ результатов моделирования переходных цессов, иллюстрирующих различные способы по-ления автоколебаний, показывают, что: При внешней модуляции опорного уровня треу-ьным сигналом с амплитудой и периодом, удов-воряющими условиям захватывания, в системе чикают вынужденные колебания с частотой внеш-э воздействия и значительно^1 меньшей амплиту-■

С уменьшение в 3 - б раз Э ;" ......*

Примерно такой же эффект подавления автоколе— лЛ дает форсирование по производной за счет ■ »вления к управляющему воздействию.» системе,-урегулирования сигнала, пропорционального его

ьизводной;

Опережающее регулирование можно осуществить еже» если форсиров а ние производить постоянным величине, но переменным по знаку сигналом, <чем изменение знак а форсирован и я происходит в мент изменения знак а производно й от регулируе-й величины. Увеличение амплитуды сигна л а сок-цает время у становления выну жде н ных колебаний» чако при этом возмо ж ны неустраняемые изменения плитуды.

Переходные проц е ссы в резонаторе, при вклю-нии возмущающего тока, подтверждают примерно знаковую эффективность рассмат р иваемых систем я устранении быстрых возмущений: спады п о ля на онте 10*Х возмущающе г о импульса составляют при-рно 0,2"/-. Однако» для внешней модуляции при ационарном возмущении появляет с я статическая ибка» а для импульсной модуляции з атягивается оцесс устан о вления автоколебаний.

Таким образом» релейные принци п ы регулиро-ния позволяют достигать прецизионной точности римерно 0,1541) стабилизации амплит у ды ВЧ полей резонаторах с характерной для лин е йны х ускорите-Й добротностью С10*5 .

Основные результаты работы:

1. Получены аналитические выражения для ус-1вий оптимального согласования N транзисторных

ВЧ генераторов с общей резонансной нагрузке (резонатор линейного ускорителя) ;

2. Показано, что при введении начальной расстройки резонатора для гарантированного обеспечения требуемого уровня мощности в нагрузке МРа С при заданной надежности работы системы ВЧ пита' нияЭ, количество резервных генераторов М < М . необходимых в случае, если расстройка ( = О.

3. Проанализирован и предложен способ использования избыточной установленной мощности С МРО резервированной транзисторной системы ВЧ питания, с целью получения прецизионой точности стабилизации амплитуды ВЧ полей в резонаторах линейных ускорителей ионов С ""0.1зО , при синфаз-но/противофазной коммутации резервных транзисторных ВЧ генераторов. Исследована зависимость точности стабилизации и возникающих автоколебаний от параметров резонатора, ВЧ генераторов и запаздывания в цепи авторегулирования.

Проведена конструкторская и технологическая. проработка модуля транзисторного ВЧ генератора , отвечающего требованиям минимизации »есо-габаритных показателей при дальнейшем суммировании мощностей.

5. На основе теоретических исследований, (исленного моделирования и анализа полученных «спериментальных данных показано, что использо-

-19- •

ние мощных транзисторных ВЧ генераторов в тех-ке физического эксперимента в ряде случа ев Со— е эффективно по сравнению с ламповыми.

Таким образом, применение мощных трансторных ВЧ генераторов в системах ВЧ питания нейных ускорителей, при использовании предло- _ нных методов их оптимального согл а сования, ре-эвирования и стабилизации вы х одных параметров, толяет более эффективно проводить физические следования на современных электрофизических гановках, а в ряде случаев С автономное функци-¿рование и жесткие требования по весо-габарит-м показателям} делает их единственным инстру-чтом в руках исследователя.

Основные результаты диссертационной работы 'бликованы в работах:

1. Савченко И. С. , Собко /I.A., Федуков Ю. Д. декретное регулирование амплитуды ВЧ поля в онаторе/VBAHT N10(18)1990,

£. Савченко И. С. , Собко Л. А. , Федуков Ю. Д.

1443218 ССССР5. Резервированный усилитель.

3. Савченко И. С. , Собко Л. А. , Федуков Ю. Д. :. £59835 (СССР). Устройство возбуждения и ста-изации ВЧ поля в резонаторе.

4. Савченко И. С. , Собко Л. А. , Федуков Ю. Д.

. 291393 (СССР) . Устройство возбуждения и билизации ВЧ поля в резонаторе.