/
Author: Райцын Д.Г.
Tags: электротехника строительство электроника инженерия машиностроение свч издательство советское радио
Year: 1977
Text
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
СВЧ УСТРОЙСТВ
а «Советское радио» 1977
УДК 621.371.81
РаЯцын Д. Г. Электричес
о» 1977 168 с
РаЯиын Д. Г. Элвтгичесдм прочность СВЧ трояетв. М
¦Сов радно», 1977. 168 с.
Дается систематическое «ложен» вопросов, tun мыта с р»э-
рабсгкоы СВЧ снсгеч высокого уроонл нмпульснзй м щностн. Ряс-
сивтрнвэются условия еотикковеннв и раэвктня apo^si ¦ копрет-
пык Бйлиово^ко кодксналышх устройствах и трзктах. Пряиоллтся
двнпые жспсрниеегалытаго исследовапия электричи^ной прочности
ся завис)! кость мектрической прочности от характер! «однород-
«однородности узла. Ичлащетси методам приближенного ратчеп ммгрич»-
exoft i рочности узлов р способы ее повышения
^ЫНГЯ Пр^^ИЛЗНВЧепл ДЛЯ Н1ГЖвнерЪО~ТСЛ1ГИЧР1
занииаюштся раэработноб н эксплуатацяеВ СВЧ
Рж: S&. т«Сл 22, бябл 143 i
!тельство «Советское радио». 1977
Предисловие
Характерной чертой развития современных СВЧ сн-
стеы является интенсивный рост их энергетического по-
течцнала. Увеличение мощности генераторов и услож-
некве условий экстуатацпи часто приводит к тому, что
системы начинают работать в предельно допустимом
режиме. В таких случаях работоспособность системы
определяется ее электрической прочностью. Даже слу-
случайный единичный пробой в тракте, если он и не приво-
приводит к необратимым дефектам в СВЧ системе, может
яаиться причиной пропуска импульсов, нарушения спек-
спектра излучения и привести к сбоям. Обеспечение элек-
электрической прочности становится одной из основных проб-
проблем нвдсжностн многих разрабатываемых СВЧ систем
Электрическая прочность СВЧ устройств содержит
широкий кр>г вопросов изхчснш: которых интенсивно
велось последние два десятилетии - Большую работу
в этой области продета if советские ученые: А Д. Амчи-
славскнй. Н. И. Баскаков, А. С Батанов, П. С. Булкин,
В Е Голант. Э Н Каплан, Е. С. Кухаркин, В. П. Са-
Сазонов, Б В. Сестрорецкнй, Г С. Солнцев и др. Однако
не все вопросы оказались изученными в равной степевн.
Нанболее детально исследованы физические процессы
СВЧ разряда. Этому направлению посвящена большая
часть публикаций [1—2], среди которых есть фунда-
Значлтельнп меньше исслеюваны вопросы приклад-
прикладного характера, представляющие особый интерес для
разработчиков систем. Работы этого направления по-
посвящены отдельным задачам, результаты их, как пра-
правило, носят частный характер Единственная в своем
роде монография [3] представляет собоП первый шаг
в систематическом рассмотрении СВЧ электрический
прочности н излагает результаты исследований физики
СВЧ разряда н разработки некоторых СВЧ устройств
Усложнение проектируемых систем и требований
к ним выдвигает задачи предварительной оценки ве-
вероятных параметров системы и выбора соответствующих
мер по обеспечению ее высокой надежности. Однако
разработчики СВЧ систем до сих пор не располагают
достаточными данными для всестороннего рассмотрении
этих задач. Ограничены сведения о характеристиках
устройств и трактов высокого уровни мощности, нет
рекомендаций по их рациональному проектированию.
Разрозненные в периодической печати данные из-за от-
отсутствия единого подхода к методике исследований и
оценке их результатов зачастую оказывались взаныо-
несвязанныын и противоречивыми.
Задача настоящей киши, продолжающей направле-
направле|3) прдтав ы
, родщй н
ние вышеупомянутом работы |3). —представи
материалы по исследованию СВЧ электри
бб да
ы
ой проч-
прочдв Ч екрическо
а основе и\ обобщения дать рекоменд
проектированию СВЧ систем высокого >ровня
сти Поэтому в книге рассматриваются с-издющие
вопросы: разрявдобразояанпе в рсальиы.у СВЧ устрой-
устройствах, анализ электрической прочности типовых
гстройств. метод инженерного расчета и jkc пери мен-
ментального исследовании *лектрпческой прочности СВЧ
устройств, а также никоторые пути обеспечения элек-
элекй сложных СВЧ систем Вопросы,
х специальных работах, здесь не
и упоминаются кратко в объеме,
оследовательного изложений мате-
матеакомиться с ними читатель сможет,
м в конце книги обширным спис-
списур
трической прочности
л
рассматриваются
необходимом чл
риала. Детально
потьэуясь привод
ком тнтературы.
К
р
предназначена для инженерно-Техническ
нимающиеся проектирован нем СВЧ си-
сиуровня мощности, и может быть полезна
ветствующих радиотехнических специаль-
специальработников,
стем высок
студентам
ностей.
Автор выражает признательность своим коллегам по
профессии, не упомянутым здесь, чей опыт работы по-
помог появиться настоящей книге При окончательной
подготовке рукописи автор с благодарностью восполь-
воспользовался замечаниями н советами рецензентов — канди-
кандидатов тедн. наук С II. Баскакова и Л. Г. Малорацкого.
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ СВЧ
УСТРОЙСТВ
Необходимость улучшения технических данных со-
современных СВЧ систем (увеличение чатьностп действия,
повышение помехозащищенности, комп тексироиание вы-
1]1лнисмы\ функций и пр.) приводил к неуклонному
[идту их ^нергегичеитого потенций 1 а. В то же время
ГВЧ сшлемы станов*тся все более с южными Это
предопределяется уровнем СВЧ типикн, который позво-
позволяет создать множество самых разнообразных устройств,
iпособиых выполнять функции коммутации н циркуля-
циркуляции v^u^ лнергнн. суммирования и телепня, усп-лепия и
игра пилен и я и т. п. Пиитом у, если ранее решение боль-
большого числа тактических и технических зат.ач достнгя
функциональные цепи, то для современной аппаратуры
характерной является тенденция совмещения функций
и применении с южных оперативных устройств.
Это обстоятельство в первую очередь отражается па
передающие яплноводно-фидерпыя трактах, которые
Так, например, тракты наземных стационарных СВЧ
LiicxeM содержат волноводы общей протяженностью
в несколько сотен метров и десятки самих разнообраз-
разнообразных устройств Тракты бортовых СВЧ систем более
компактны, но насыщены большим чистом подвижных,
коммутационных н других сложных устройств и рабо-
впях В то же время радиотехническая система должна
удовлетворять требованиям высоким надежности По-
-stomv требование "электрической прочности для систем
является одним из определяющих Это требование кри-
критично не только для систем высокого уровня мощности,
но и тля систем относитечьно невысокого уровня мощ-
мощности в определенных усювнях (например, при низком
давченин).
1.1. Современное состояние разработки СВЧ систем
высокого уровня мощности
Значительным числом работ по исследованию свойств
и особенностей СВЧ разряда [1—21] создана стройнан
теория, описывающая природу и основные закономер-
закономерности СВЧ разрядных процессов. Достаточно полно эти
данные обобщены в [3].
Трудности электродинамического анализа сложных
СВЧ устройств ограничивали возможности расчета
электрической прочности, поэтому этот путь был исполь-
использован лишь в приложении к некоторым типам регуляр-
регулярный линий [3, 23. 25—33] и простейших волновод но-
фидерных элементов [29. 30, 31, 35]
Основным направлением определении электрической
прочности остался экспериментальный метод От на ко
отсутствие единой методики эксперимента 1ьного иссле-
исследования привело к тому, что результаты аналогичных
исследовании разтичних авторов не соответствуют,
а иногда и противоречат друг другу.
Первые работы по исследован ню электрической проч-
прочности волноицдных злементоо 119, 26. 35, 37, 38],
использовавшие произвольную методику, дали различ-
различные результаты
Электрическая прочность регулярного прямоугольно'
го волновпда быча исследована рядом авторов [19, 35,
37. 39. 40, 44 и др]. Исследования велись в основном
с печью определения величины пробивной мощности Я
выяснения зависимости ее от давления. На рис. 1.1.0
представлены эти результаты. Как видно из рисунка,
в оценке зависимости пробивной мощности от давления
в результатах может привести к ошибкам в определе-
определении Лф В три раза и более Последующие исследования
регулярного волновода [[, 25 и др ], выполненные
с помощью более совершенной методики, позволили
внести ясность в =>тот вопрос. Так, исследования
Н. И. Баскаковым прямоугольных волноводов соответ-
соответствующих стандартов в 2-, 3- и 10-см диапазонах длин
волн показали, что для регулярного волновода незави-
независимо от его размере н диапазона частот зависимость
пробивной мощности от давления описывается функцией
вида Pnp=F(p*sJ. Эти ланпые. подтвержденный более
поздними работами [I, 41 и др.], показали, что наблю-
наблюдавшееся расхождение в опубликованных результатах
г
—/-у
/
W
'А
¦Уу
810*
:^iEHS=f=iSlf"-
i-внднмому, методическими ошибками
Были проведены исследования электрической проч-
прочности некоторых впяноводных эдементоп. ИспытывалисЬ
несколько видов элементарных иРодпорпдностеЙ емкост-
емкостного и индуктивного характера [3, 38. 43. 70J. несколь-
несколько отверстии связи по узкой и широкой стенкам волно-
волновода, несколько типов дареяпдов пт прямоугольного
к круглому вплноводу, переключатели роторного типа,
¦шэлектрниескне фазовращатели [35, 37. 43. 44, 75].
Цель большинства упомянутых работ заключалась
в определении ветчины пробивной мощности элемента
пли в выяснении влияния некоторых факторов, таких
Начало систематическим работам в этой области по-
потолкли исследования [37. 38J, в которых была опре-
определена пробивная мощность для нескольких типов зле
ментзрных волновод пых неоднородпостей
Иссле.
однпро.
¦костные диафрагмы, ступеньки
ера неоднородности), лак пред-
кпн на ближайшей ь сторону генерятора тчности (лля
вного зараитерг игаднорйдности) как предполагалось, из-за
i?DD3iijifl. лиэлаиных отражениями от неоднородна**""' *
раыя бысхпэывдлось прстшплазкеми?. что пилоГшое рвзлн1
пякнавеннн разряда определяется квравте
ыожгг Пыгь нсполыавано для их классиф
ность подобной тонки эрсяин очюняна 1(вч пнтелько, если иметь
это}, то Ясно, что пробой рередаклцрп линии, пдокэнлиб гтраженкн-
ии от ^лсмекг^. не чарактеризу^т в&ллчтгпу мробнвисП voulrocth
собственно элемевта Пробой на нео^чгпролпостя опр^д^чется толь
проопя рвэлнчр^ Ufjiuiv полнонодиычн элементами не существует
Результаты, полученные для нидуктивны! нсодкородностер, электрн-
пробою рассогласоваппрго волионспа
^Jccлeдoвaнl]ыe в [37, 38J элементы включают не-
несколько bo.ihoboihux направленных ответвнтелей. вол-
волновод ных изгибов, тройников и фланцевых сочленений.
В этих же работах быэн определены зависимости про-
бявной мощности от давления— РВР(р) —для исследо-
вапны.х элементов. Полvytиные резу1ьтаги (рис 1.1,6)
позволили авторам заключить, что элементы, электри-
электрические структуры которых подобны, бучут иметь при-
приблизительно одинаковый характер зависимости мощ-
8
тн от давления, что дает основание д.пя классифнка-
И11 ЛСЫ1-НТ0Б. Hj рнелнке обозначено: /- стандартный
члновод. 2—шлейфовый ответвнтель, 3 — крестпобраз-
!й ответвнтель (связь паралтетьными щелями). 4 —
стообраэныЛ ответвитеть (свизь поперечными щеля-
п). 5 — ответвнтель тила *Швипгера»,
Обращает ие себя
випгера»,
ние то. что рис 1 1,6 пред- f\
A.1)
1С В —размерный коэффнииепт. а «наклон» прямых,
.1 котором говорит Hart [381— это постоянная Ь соот-
соотношения A.1). которую он хит бы использовать в ка-
юстве параметра кчасенфнкашш ^(.тройств. Для Hccie-
кшапных волиоволных элементов «наклон» прямых
йодных элементов при жетанни можно было увидеть
приближенное совпадение чтого параметра. Например,
на равнялась 1,3... 1.4, для другого типа ^1,6 И т д.
Однако более тщательное рассмотрение этих результа-
результатов и сопоставление с результатами других работ вызы-
вызывает сомнение в справедливости подобных выводов.
Действительно, полученная авторам [38] зля регулнр-
иого вот повода, величина постоя ннон b 2 2 от1нча?тся
пт результатов других авторов почти настолько (Ь=
=1,5.. 2), насколько отличаются определенные постоян-
постоянные Ь дли исследованных им элементов. Другая работа
137] содержит для волновода два различных значения
Ь=2,2 и 1,87. Более поздние исследования прочности
некоторых элементарных неоднородиостен сосредоточен-
сосредоточенного характера (с линейными размерами много мень-
меньше }-) в виде емкостного штыря и отверстия в стенке
волновода показали, что длч простых сосредоточенных
неоднородпостей характер зависимости Рпр(р) оАИН и
тот же и (независимо от вида неоднородности) _описы;
вается той же ф^нкцией^Яп^^р^1), что н для регуляр-
регулярного волновода. ~~ " ~~
Результаты [44] сомнительны потому, что для неод-
нородностей одного характера (емкостный штырь раз-
различных размеров) онн даля различный вид зависимости
Рир(р). Измеренная там же Рщ, для регулярного волно-
волновода оказалась завышенной по сравнению с расчетной.
Эти несоответствия, а также большой разброс данных
яёляются. по-внднному. результатом несовершенства
методики эксперимента.
Такны образом, результаты исследования электриче-
электрической прочности волноводних элементов весьма ограни-
ограничены, носят частный характер, не обобщены, зачастую
не сравнимы и противоречивы. Исключение составляют
упомянутые работы Н. И Баскакова, в которых иссле-
исследованы прочность регулярных прямоугольных волново-
волноводов н некоторых простых сосредоточенных полноводных
неоднородностей в виде емкостного штыри к круглого
отверстия в стенке волновода
Электрическая прочность коаксиальных н полосно-
еых элементов представляет собой наименее исследо-
исследованный вопрос СВЧ техники. Весьма ограниченное чис-
число работ [3, 35] было посвящено определению про
бнвной мощности нескольких частных размеров
коаксиатьнон линии.
В работе [13] для регулярной коаксиальной линии
с размерами 10.4/3.7 мм получены результаты, далеко
не соответствующие расчетным. Результаты работы
[35], в которой исследовались коаксиальные линии
с размерами 21,8/937 и 15,6/6.25 мм, показали, что
металлические изоляторы снижают пробивную мощ-
мощность коаксиальной линии в 2,6 раза, а диэлектрические
опорные шайбы' — в 12 раз Это позволило авторам
[35], приняв 2,5-кратный запас, рекомендовать для
определения рабочих уровней мощности коэффициенты
нагрузки9 для коаксиальной лияин с металлическими
опорами К„=6 и для коаксиальной чини и с диэлектри-
диэлектрическими опорами /CH=t30. Эти цифры были приняты да-
даме в качестве обязатетьных в некоторых руководящих
технических материалах по проектированию коаксиаль-
коаксиальных тракгов. выборе размеров коаксиальной линии,
опор i
Orpai
прочности
имеющиеся сведения по электрической
невысокие уровни мощности применяемых ра-
простота их тшэвотяли выбирать размеры таким обра-
в 1351 и
е шявбы. с
¦ вяду рзэреэнь
• Под коэффициентом нагрузки Кж подразумевались млн
обратная отпошекпю рекоыенлугаюто уровня рабочей now
к яакооилыю допустимой (пробнаиоЁ) для регулярно! линии
1С
¦м, чтобы обеспечивались достаточные запасы электри-
екой прочности. Однако повышение уровней мощности
¦трудняет столь простой способ решения вопроса.
Исследования электрической прочности антенн огра-
огранивались в основном рассмотрением нескольких типов
нбраторных и щелевых антенн [42, 46. 48—50].
Наряду с электрической прочностью элементов элек-
¦ |1ичссхая прочность трактов также ятяется вопросом
ыдежности работы систем высокого уровни мощности.
It большинстве случаев этот вопрос решатся упрощен-
j: применялась новая из известных мер повышения
тектрической прочности, чтобы поднять пробивную
пщность самого слабого элемента тракта до требуемо-
¦ уровня. В то же время из практики известны случаи,
|.огда подобное решение не обеспечивало требуемой
шдежности. Оказывалось, чти тракт, состоящий из эле-
iniTOB, обладающих требуемым запасом, соответствую-
nici трочностн не нмет.
Повышение электрической прочности СВЧ устройств
трактов является одним из основных вопросов проск-
прования систем высокого уровня мощности. Известно
несколько способов повышения электрической прочно-
>тн. Простейшим, на первый взгляд, является способ
увеличения площади поперечного сечення применяемых
¦нннЙ передачи. Такой способ передачи большой мощ-
мощности с помощью волноводов увеличенных размеров
[51—55, 120] известен и находит применение Напри-
Например, для передачи колебаний 3-см диапазона применя-
применяюсь волноводы сечением 72x34. для передачи колеба-
колебаний миллиметрового диапазона —волноводы 23X10 мм.
Недостатком этого способа является опасность возник-
возникновения высших типов колебаний в областях ¦неоднород-
¦неоднородностей тракта Высшие типы приводят к резонансным
(шленням и могут понизить электрическую прочность,
поэтому необходимым условием явчнется фильтрация
ипов колебаний. Ошако достоинство
-пособа ;
оатываемых устройств. Хотя ¦
пп широкого применения, он
мной г
азра-
т способ еще
ц одним из пер-
Другой способ повышения npoi
редаюшей линяй — повышение электрнчес;
заполняющего линию диэлектрика. Пракп
ключастся в заполнении линии (или элемента) диэлек-
диэлектриком с Еир, большим, чем у воздуха. Дли *той цели
применяются газообразные, жидкие или твердые диэлек-
трпки.
Электрическая прочность всех твердых высокочастот-
высокочастотных лн^лектрикин выше, чем у воэчуха. Однако широ-
широкому применению их мешает целый рил ограничений
Псрлое определяется не столько этектрической проч-
прочностью, скольки нагревом на СВЧ ча счет диэлектриче-
диэлектрических потерь Исслетовання [Ь6] показа in, ito иагрев
даже такого хорошего СВЧ диэлектрика, как фторо-
фторопласт, в 3-см диапазоне ограничивает величину пере-
передаваемой мощности уровнем, соответствующим волно-
волноводу, заполненному вочдухом Второе ограничение опре-
определяется необходимостью исключить воздушный зазор
между диэлектриком н стенками волновода. Любой за
зпр. величина которого больше средней длины свобод-
свободного пробега электрона, создает oiiaLHocTh пробоя
А так как длина свободного пробиа электрона при
атмосферном давлении составляет 10~5 см, то практи-
практически всегда имеется зазор на порядок выше указанной
величины. Наличие воздушного зазора, например, меж-
между диэлектрической шайбой и проводниками коаксиаль-
коаксиального волновода уменьшает допустимую мощность
в es раз [35] И, наконец трудности технологического
характера, различие температурных коэффициентов
расширения диэлектрика н металла н т. п
рекомендовать твердые диэлектрики для
электрической прочности в исключите пьмых случаях.
Применение жидких VIэлектриков для повышения
электрической прочности [57—62] имеет преимущество
с конструктивной точки зрения- в любом случае полу-
получается идеальное заполнение полноводной системы дм
электриком, который может быть одновременно исполь-
использован в качестве хладоагента для охлаждения и др.
Для этой |дслн могут быть использованы несколько
диэлектриков [59J. пробили а я напряженность которых
равна 150 ..180 кП/см Недостатком способа является
неизбежное усложнение констр>кции устройства к огра-
трнке резко возрастают потерн. Несмотря на все это.
в некоторых С1учаях данный способ может оказаться
опщ с этой же целью можно применять гаэооб-
.тгче [44, 56, 67] диэлектрики с повышенной электри-
электричкой прочностью. Этот способ нашел наибольшее рас
фостранение В табл 1 приведена »..<.»..,
:я прочность ' некоторых газов [67J
Таблица
некоторых газа»
Газ
Относительная
<к-итрическт
прочность
1.0
ее,
63
CCI.F,
2.4...S.5
SF,
2.3...2.5
со.
0.9
Помимо электрической прочн
о диэ
ктрик
и, при выборе газо-
ь во внимание н дру-
1) газ дотсеп быть инертен пи отношению к мате-
шческом отношении:
2) иметь небольшою диссоциацию;
3) обладать высокой теплопроводностью;
4) быть дешевым и доступным.
Наибольший выигрыш в электрической прочности
дает CCli, но под действием электрическия разрядов он
разпагяетсн на углерод, образующий проводящие отло-
отложения на поверхности твердых изоляторов, и хлор, вы-
выливающий коррозию. Наиболее подходящими являются
фреон CCUFj и злегаз SFe. Электрическая прочность их
почта одинакова н в 2.5 раза выше, чем у воздуха, но
упругость паров фреона при 20° С около Б атм
@.6 МПа), что является существенным ограничением
(у злегаэа около 20 атм B МПа)).
Работа А Л- Амчнславского по исследованию воз-
возможностей элегааа на СВЧ положила начало широкому
применению элегаэа для увеличения электрической
прочности волноводных систем Однако здесь имеется
много неясных вопросов Нет достоверных сведений
1 Относительная адеитр1"*"гая прочность рявка отношению гро-
fiiraHoro напряжения гаэв к пробивному напряжению азота У *шт1
пробнвлое нвпрнженяе в 1.1 раза неньш^ чей у воздуха
о величине упрочнения, которую может обеспечить эле-
газ в большинстве практических случаев. Величина от-
относительной электрической прочности, приведенная
в табл. 1, получена в исследованиях на низкой частоте я
в однородном поле Данные, приводимые для СВЧ. дают
самые разнообразные величины упрочнении по мощности
от 2 до 15 раз. Неопределенность полученных результа-
результатов усугублялась тем, что измерения проводились с раз-
различными формами неоднородных волновод них структур,
что не позволяет сделать сколь-нпбудь обоснованных
| обобщений. Единственный общий вывод, к которому
пришли все, исследовавшие этот вопрос, заключается
в том, что в некоторых случаях выигрыш, получаемый
| с помощью элегвэа. может быть неожиданно малый.
' Точная величина его подлежала экспериментальному
определению. Отсутствуют также систематические све-
сведения в этой области о зависимости упрочнения от про-
процентного содержания элегазв в случае использования
его в смеси с др\гим газом В пос.челпес время опубли-
опубликованы некоторые результаты исследования электриче-
электрической прочности регулярных прямоугольных волноводов
с Э1егаэом в сантиметровой диапазоне- Для линий иного
тига. волновод но-коаксиальных элементов, а также дру-
других диапазонов таких данных нет.
Наконец, для увеличения пробивной напряженности
газового диэлектрика, заполняющего волновод, можно
воспользоваться повышением давления газа. Это лает
возможность повышать электрическую прочность си-
систем, даже заполненных воздухом, и является самым
простым и поэтому наиболее распространенным спосо-
способом Однако его эффективному применению препятст-
препятствует отсутствие необходимых сведений о зависимостях,
характеризующих этот способ. Основная характеристи-
характеристическая зависимость пробивной мощности от давления
определяется разными авторами по разному: так, в [19]
она описывается соотношением Pnp=f<Pb). где Л=1 ...2:
в [36] эта зависимость соответствует Ь=4/3, а в [40] —
Ь=3/2 и т д. Неизвестен вид этой зависимости в случае
заполнения волновода не воздухом, а другими газами
И1Н их смесями. Имеющиеся данные ограничивались
в основном сантиметровым диапазоном, не затрагивая
дециметровый н миллиметровый диапазоны волн. Со-
Совершенно не были исследованы коаксиальные и полоско-
1.2.
\iPU4fi
оч прочнииь характеризует способность
к работе да высоком уровне мощности
i предельной ве пи чиной напряженности
поля, превышение которой приводит
СВЧ устроии
И опредстяст.
лектрнческог
. пробою.
В импульсном режиме работы с короткими имлуль-
ами и дли устройств, не содержащих поглощающих
лементоэ, указанное состояние соответствует возннкио-
¦енню электрического разряда в области максимальной
(апряженностн. Это явчеиие так называемого эясктри-
•ескою пробоя При работе в режиме иемодутирован-
|ых колебании и для устройств, сочержаших элементы
потерями (феррит, диэлектрик н т. п.), указанное со-
гояние приводит к резкому возрастанию температуры
з диэлектрике и к структурным изменениям и дефектам
го. Это явление так называемого теплового пробоя.
Предечьная напряженность электрического поли, со-
соответствующая возникновению пробоя, наэываепн про-
— ?щ. Иногда э
величину н
1ывзют ризрпинои напрнженност!
Соответствующая величина
/робивной мощностью — Рпр. Величина при
ипстп относится к мощности падающей вол
ъстройствв и определяется для нормалы
На практике для характеристики элек
iocth устройства часто польз}.
¦рнческой проч-
прочая величиной относи-
р, равной отношению
Pnpicip к пробивной
соединяющей устрой-
Р'щ.^Рщ.^р/Рщ,^. A.2)
Эта величина удобна для сравнения однотипных
устройств и для расчета электрической прочности трак-
телъной пробивной мощш
пробивной мощности уст
мощности регулярной лит
ство с генератором.
Для обеспечения необходимой н
ры максимальный уровень рабочей мощности
должен Быть меньше величины пробивной мощности Р
ои Судей обоэшчт. Р'аг.
й пробивной
запаса электрической прочности Кмп, равным отноше-
отношению пробивной мощности к рабочей, т. е.
Ветчина Кми выбиратн произвольно, чаще поряд-
kj 2.. 4. Реальный Каи, опреде1яется с учетом эксплуа-
эксплуатационных факторов (давления, температуры и пр.).
влияющих на условия возникновения пробоя. Влияние
jthx факторов эквивалентно снижению пробивной мощ-
мощности устройства или повышению рабочей мощности'.
Если с учетом этих факторов Кзав оказывается мень-
меньше заданной ветчины, то необходимы меры по повыше-
повышению электрической прочности устройства или тракта
Вопрос jJicKTpii4L-L№ii прочти.™ тракта требует
особого внимания. Конкретные условии эксплуатации
снуемы (впешпие факторы), режимы работы (возмож-
(возможные коммутации в тракте и т. п.). параметры комплекса
(рассогласование, потери и др.), возможное качество
сборки тракта — все это должно быть учтено при опре-
определении ожидаемого Кзап тракта в целом. В случае
необходимости применяются специальные способы по-
повышения электрической прочности тракта, такие как
герметизация и наддув, газонаполнение и Др-
1.3. Особенности разработки СВЧ устройств
высокого уровня мощности
Разработка систем с высокой электрической проч-
прочностью в общем с!}чае сводится к проектированию
оптимальной конструкции устройств, удовлетворяющих
требованиям надежной работы на заданных уровнях
мощности в заданных уставннх.
Эта работа состоит из следующих этапов:
1) выбор типа и конструктивного варианта устройств;
2) расчет электрической прочности или ориентиро-
3) экспериментальное исслеюнанне образцов на вы-
высоком уровне мощности (БУМ) в нормальных и пре-
предельных эксплуатационных условиях для определения
1 Следует обратить внимание н ни то обсп
:не условия на источники СБЧ энергии pei
льны и уровень генерируемой мощности.
¦ни пробивкой мощности i
гтабы.т
4) доработка устройств по требуемым параметрам:
i) оценка электрической прочности тракта в целом.
Выполнение «ой работы требует знания или возмож-
возможен определения основных электропрочпостных харак-
ристин разрабатываемого объекта
Рассмотрение состояния вопроса электрической проч-
iCTii во л новодио-коаксиальных -элементов и трактов по-
ио материала об электрической прочности наиболее
¦личных устройств БУМ и достаточных данных об dco-
пностях работы сложного волновлдиого тракта ВУМ
¦ способах
Нмиощшчн
lanasoilOB волн подобные материалы отсутствуют.
роме roio. ни один из элсктричиких параметров СВЧ
ч\ условии, как электрическая прочность Это, а также
южность теоретическою анализа электрической проч-
it.™ pea 1ьных устройств мпреде 7Нег необходимость
объем;
о обе к
аГ)атывисмьх кон^рукшш. В то же время отсутствует
ростая методика, которая позволяла бы с помощью не-
неюжного оборудования получать необходимую и досто-
достоверную информацию д.пл устройств различного типа и
¦шапазонов.
Исходя из этого, в дннной книге обобщаются сведе-
сведения по следующим основным вопросам:
1) исстедование лектрнческой прочности типовых
олноводно-коакснальных устройств общего применения;
2) определение критерия Э1ектрнческой прочности
~БЧ устройств и метода его инженерного расчета;
3) разработка простой и уинверса tbiiofi методики
ности с целью применения it для 1[_гоойстп раппчного
характера и диапазонов частот;
4) рассмотрение особеннш и работы стижного трак-
тракта ВУМ и способов повышении ii.i *лектр к ческой проч-
прочности.
1.4. Методы расчете и экспериментального исследования
электрической прочности устройств
Расчет электрический прочности СВЧ устройства, ко
торый сводится к определению величины пробивной
мощности, представляет собой сложную электродинами-
электродинамическую задачу. Решение ее требует знания тонкой струк-
структуры электромагнитного ноля в исследуемом объеме и
в настоящее время выполнено для ограниченного числа
систем. Так, были определены пробивные мощности ре-
регулярных линий передачи [3. 22, 24—28, 30, 33] И ряда
элементарных неоднородностей [68, 69]. Некоторые
сложные и многоволновые устройства рассмотрены в ра-
работал А С. Батакова. Г. В. Грозина. Б В. Сестрорец-
кого. Я- Н. Фельдв и др. [29. 34,57,69]. Энергетический
метод расчета электрической прочности был предложен
лля устройств типа фильтров [3, 31, 52, 68]. Электри-
Электрическая прочность шлейфных и вибраторных антенн рас-
рассчитывалась с помощью теории длинных линия [46.
48-50]. Известно еще несколько работ, посвященных
расчетам электрический прочности СВЧ устроила дру-
другими методами, в том числе с помощью ЭВМ [64].
Теоретический анализ электрической прочности
осложняется большим количеством трудно учитываемых
факторов, от которых .девиент величина электрической
прочности (роль локальных неоднородностей СВЧ
структуры, произвольное положение элементов настрой-
настройки, факторы технологического характера и др.). Поэто
му применительно к сложным устройствам оказывается
трудно с исчерпывающей полнотой сформулировать
граничные условии и обеспечить требуемую точность
расчета. Можно надеяться, что современный уровень
развития вычислительной техники в ближайшем буду-
будущем позволит рассмотреть н довести до численного ре-
решения большое число общих задач расчета электриче-
электрической прочности, что избавит разработчика от большой
и трудоемкой работы Однако в настоящее время экс-
экспериментальное макетирование оказывается обязатель-
обязательным, а во многих случаях единственным путем разра-
разработки устройств с высокой электрической прочностью.
В то же время весьма желательно располагать про-
простым расчетным методом хотя бы Д1Я приближенной
оценки электрической прочности устройств выбранной
геометрии. Такие возможности днет метод, основанный
заннн аппарата электростатики. Этот метод
Wheeler [68] для расчета некоторых не-
¦шородностей в волноводе, которые оя предложил в ка-
"тве эталонов — полноводных разрядников. Расчет
11Я на закругленном угле возле проводящей стенки и
.1 закругленных углах узкой щели методами электро-
1 этического анализа был использован для расчета вол-
водных фильтров [24, 68], П-, Н-волноводов и полп-
¦овых [34. 3]. Эти опыты дали положительные реэуль-
1ты, и, хотя в указанных случаях рассчитывались вол-
¦водные устройства с единственным элементом неодпо-
дности, они подтвердили возможность применения
екгростатического анализа к СВЧ устройствам. Далее
смотрим распространение этого метода на широкий
ее устройств раэчнчнои степени сложности.
Экспериментальные исследования СВЧ электрической
чания СВЧ разряда н электрической прочности
ройств. Несмотря на тесную взаимосвязь указанных
.равленнй, в каждом из них перед исследователями
нлн различные задачи. Это раллнчие опречеляет и
кчнфнку методик экспериментального исследования
чении СВЧ разряда. Во втором счучве —в реалнза-
¦ш заданных условий и испытании в этих условиях
¦нкретного устройства Или его модели.
Методы экспериментального исследи-
i н и я СВЧ разряда сводятся к созданию стацно-
|] ipuoro разряде в ограниченном объеме, величина элек-
>нческого поля в котором может быть рассчитана, и
"ШШванню разряда в заданных условиях.
На рис. [ 2,о изображена типичная схема, использо-
¦ вшаяся [4] для этих целей. Здесь- / — импульсный
иератор, 2 — аттенюатор, 3(/) и 3B) — ответвители
. чающей и отраженной волны, 4 — развязывающее
ройство, 5 —измерительная линия, 6 — исследуемая
«нии, 7 фотоумножитель, Я счетчик. 9 вакуум-
iH система, 10- аналнчагор спектра, II —детектор.
' — двухлучевой осциллограф, 13 — переключатель,
/ — термистор, 15 — измерительный мост. Установка
1зволяет определять пробивную напряженность и эа-
иснмость ее от различный внешних факторов, наблю-
1ть появление отражений во время пробоев и регистрн-
чвать число пробоев в единицу времени.
В качестве измерительны* (эталонных) разрядных
.юмежутков применяют отрезки передающих линий
чеиьшеиного сечення, а также специальные волновод-
ыс электроды-разрядники [70] {рис. 1.2,6). Часто
Lследуемый разряд создается в стеклянных баллончи-
т\. помещаемых в волноводе [5. 151, или резонаторах
|. пличного вила: коаксиальных [13], цилиндрических
11. 5]. прямоугольных [2, 14. 18. 20|
Этими методами были и сел ото ва ни условия воэпик-
СВЧ рнфяяа. опредетсны величины пробивной
генерации СВЧ мощности,
пгнитного и электрического полей, радиоактивности и
ia-жноетн, атмосферы различных газов и их смесей
I—21 и др ] Однако параметры СВЧ разряда, полу-
спные в речутьтате исследпвания в специальных нзме-
лтелышх объемах, носят несколько отвлеченный харак-
-.тмента. В то же время разработчика СВЧ устройств
¦нтсреслют параметры разряда в реальных устройствах,
jpeKTtpiicTiiKii возникновения пробоя в неоднородных
. псктрнческнх поляч, сиответетв\ ющих конкретный вол-
тводным конфигурациям, т с. данные прикладного
арактера.
•.водятся к определению величины пробивной мощности
устройства, определению элек-
электрически стаоого месте и воз
чожностеВ повышении элек-
электрической прочности
СВЧ разрятн и t пя!»ш(ые
с этим вероятностные харак-
характеристики времен» формиро-
формирования разряда' (рис 1.3)
определяют специфику меТОДИ- Рш \3 Зависимость веро-
ки исследования, " которая ятнпстн разряда W и ср»д-
«¦-л hnnuBuu niBaiuwnilki
'т. '
tгроитев
врем!
улкмн П. С Хохлов М. 3. Ствтпстическяе эапаэ
л Импульсного сверхвысокочветогного раяряла -
электровяла.. 1958. т. 111. J* 6 [с 806—8Ш)
уровнях подводимой испытательной мощности Р
Используются два метода определения электрической
прочности СВЧ устройств, метод критической мощности
и метод пробивной мощности
Метод критической мощности. Поскольку величине
пробивной мощности Рщ, как минимальной мощности,
достаточной для возникновения разряда, соответствует
очень большое время запаздывания (рис. 1.3) н Прак-
Практическое измерение ее связано с большой длитель-
длительностью, то с цетью сокращения времени эксперимента
можно ограничиться определением некоторой критиче-
критической мощности, соответствующей выбранному значению
вероятности разряда.
Например, вероятности разряда 1Р=50«/« соответст-
соответствует значение критической мощности Рсо% ПГ = 30°/«
*au% PI и т- ¦")¦ Таким hi личинам мощности соответству-
соответствуют значительно меньшие времена запаздывании, и по-
поэтому измерить и* вполне возможно. Несмотря на неко-
некоторую условность этого параметра, он в известной мере
характеризует электрическую прочность элемента и
измерение его имеет смысл [3]. Однако существенное
вала между пзмерепиями приводят к тому, что время
одного измерении этим методом достигает часа. Нако-
Наконец, сильное влияние посчераэрядных явлений требует
также увеличения продолжительности паузы дли повы-
повышения точности эксперимента.
Метод пробивной мощности. Метод определения про-
рвктере разряда Как следует нз определения, пробив-
пробивная мощность — это максимальная мощность, при кото-
рой вероятность разряда сше -остается равной нулю Для
опредетсния пробивной мощности измеряют вероятность
разряда при различных уровнях мощности н искомую
величину определяют экстраполяцией как точку, соот-
соответствующую нулевой вероятнпстп AР=0). Величина
вероятности может определяться двумя путями- тнбо
как вероятность в серии опытов [8]. чибокэк всроят-
Для уменьшения времени запаздывания разряда, что
особенно существенно в импульсном режиме работы,
применяются внешние ионизаторы Использование внеш-
внешнего ионизатора с достаточной активностью снижает вре-
:льного
непосредственное определение величины пробивной
ностн. Для этого плавно поднимают мощность до
v-пления пробоя н полученную величину уточняют
•льшой выдержкой при мощности на несколько про-
ов (например 5%) ниже ранее определенной. С точ-
ью измерения мощности таким способом можно ие-
' родственна определить искомую величину Рщ,. Такая
ифмкаиня метода требует значительно меньшего
ысни измерения, отличается большей точностью и
i орясмостью результатов Имении этому способу сле-
г отдать предпочтение, н поэтому метод пряного
l деления пробивной мощности находит вое большее
шененне.
Независимо от особенностей выбранной схемы экспе-
11 ь решены некоторые общие методические ьопросы.
числу таких вопросов относятся, получение поаышек-
>\ уровней мощности, индикация разряда и ноннзацн»
И настоящее время при исследованиг ———¦¦*"-.-и™-
та элементов требуются мощности, намни! и пренн-
оише номинальные мощности стандартных генерато-
. Поэтому метой создания повышенных уровней мощ-
гти является одним нз основных вопросов для любой
мы. Ниже перечисляются некоторые нз наиболее
пространенных решении.
Метод сложения мощности нескольких генераторов
лован на применении специальной схемы сложения
щностн от нескотьких синхронных и синфазных гене-
поров, параллельно работающих на одну нагрузку
I. 74, 77]. Схема должна обеспечивать взаимную раэ-
<ку генераторов друг от друга В качестве основных
ii-ментов для построения таких схем применяются ыо-
1ИВЫЕ устройства. Метод позволяет увеличивать мощ-
ть почти прямо пропорционально числу соединяемых
нераторов. Модификацией подобного метода является
год каскадного соединения нескольких генераторов.
обходиыость нескольких генераторов, синхронной и
шфазной нх работы, а также специальной волновод ной
истемы ограниченного диапазона частот делают этот
ч тод сложным и малопригодным для лабораторных
стсдоваинй.
Метод резонатора бегущей волны основан на приме-
¦ни специальной волноводной схемы (рис. 1.4,о). по-
юляющей получать увеличение мощности до трех раз
потерях в слеме не более 1,0 чБ [72, 76]. Нското-
усовершенствоваяие схемы в виде Сыстродействую-
> переключателя, подключающего испытуемый эле-
г только па время испытан и я. позволяет исключить
.родиость. Такая модификация увеличивает коэффи-
it умножении мощности до М—5.. 10 раз [74]
¦ мшдпмость в специальной вилноводноП системе огла-
оглашает рабочий диапазон применения устройства,
i 1ьная зависимость коэффициента умножения от вс1и-
iiLi потерь в кольце делает этот метод малопригодным
11 испытаний .элементов с потерями (например, феррн-
. и других).
Методы имитации высоких уровнен мощности (при-
Ф я женин в липни, куда включен испытуемый эле-
Мс
эффн
i я основан на создании в линии стоячей волны н ле-
иещенин ее вдоль испытуемого элемента с тем. чтобы
нгость напряжении последовательно оказалась на всех
чках элемента. Коэффициент умножения соответствует
UMOxtfUa^l+r, A.4)
г UB—амтитуда падающей волны. Г — коэффициент
|)ажеыия по напряжению (линия без потерь). Метод
i-лволиет получить увеличение мощности до четырех раз
| I] при коротком замиканни (Г=1). Однако ээвнен-
iTb степени умножения мощности от потерь, еозмож-
гъ резонансных явлений в ряде испытуемых у стронете
стример, вращающихся сочленениях), а таьже нерав-
черное распределение напряжения вдоль линии дс-
1мененне этого метода во мно-
модификацией прелыдущеп
* -,олношц--
эгократ]
специальной волновод ной схемы [75] (рнс. 1.4,6),
отражении перенапря-
которой за счет
fime в пучности i
и1. Для резоватора стоячей волны с потерями коэффн-
¦гнт умножения (по мощности) равен
где Л — потери в цепи резонатора, дБ. Схема подволне
получить увеличение мощности на 10 дБ при потеря
в линии не «алее 0,5 дБ и 6,0 дБ при потерях 1.0 д
Частят случаем метода является применение оСъеииого
штор*, который представляет собой контур, образованный с
нощью двух неоднородностел
лнвнн. В такой реэоявторе
стоячей
накапливается в пучим
е есяряжекия \
коэффианента умножении д
Здесь О. — иагрухенная добротность резонатора; т — число пол
воли, укладывающихся вдоль отрезка волновода между диафрапг
ми: К н X,,—длина волны в свободной пространстве в
Прл использовании резонаторон с добротностью Q,=rf20u
tr^l 4 можно получить коэффициент умножения поряд*
>20 дБ Узкоооапсносп. н кизяая точность, вызванная воэмо
ошибками Ki-sa «равномерности распределения поля вдоль
дуемой линии, а также из-за сильной ssbiilhho
штора от частоты, температуры н других фаю
), пробивная иотпость зависит от давлен
'М давления мощность увеличивается и я
оборот. Описываемый метод имитации высоких уровн
основан на использовании указанного явления, реалнэ
ется практически с помощью соответствующего вакуу
ного оборудования, (как правило, специально оборуд
ванных барокамер) и позволяет получить коэффицррн
умножения мощности порядка 10... 13 дБ. Метол П'
полагает знание соответствующих зависимостей мель
пробивной мощностью и давлением для каждого из и
следуемых элементов или использует «универсальную
зависимость [3].
Сравнение описанных методов повышения мощност
свидетельствует в пользу метода понижения давлени
Сует специального волноводного оборудования, а при
мененнс барокамеры возможно для любого диапазон
за исключением, по-видимому, дециметрового. Друг
достоинство этого метода заключается в том. что в да
иом случае вполне достаточна 'мощность нмеюшихс
генераторов и реально требуемые уровни не превышаю
а напротив, много меньше номинальных. Однако прин
ишальныА недостаток этого метода состоит в яеобхо-
imocth знания индивидуальных характеристик Рир(Р)
¦ кдого элемента и необходимости в специально обору-
П1ПНОЯ барокамере. Такая камера представляет собой
¦"чоэдкое и дорогостоящее оборудование и существен-
ограннчнваст практическое применение этого метода.
1 гранение этих двух недостатков сделало бы метод
¦ истым, универсальным и наиболее пригодным г ля
мрокого применения.
Методы индикации разряда используют явления,
11.зшествук>щнс и сопутствующие разряду, или после-
11рядные. Большое число известных методов унднка-
N1 разряда основано на фиксации либо изменений
ктрнческих параметров тракта, либо сопутствующих
|.>ряду звуковых, световых, химических, бароыетриче-
их и каких-либо механических остаточных или прочих
• гений. Как проявляются эти явления и каким обра-
ч они могут быть использованы?
Предпробойные явления обусловливаются возникно-
нием электронной проводимости в области с повышен-
ш градиентом напряженности. Это обстоятельство
..жст фиксироваться по изменению параметров пере-
1чи СВЧ энергии. Следует заметить, что практически
t метод нашл
тод был использован [45] е
<и пониженном (р<30 мм рт. ст. D кПа)) давлении,
возможности этого метода при работе на больших
Метод индикации
метров может быть оа
i следующих явлений,
факте:
1) уменьшение проходя-
'¦и за элемент мощности;
2) возрастание отражек-
'й мощности;
3) увеличение КСВ
¦акта.
Более внимательное рас-
-. отреиие показало, что
i> hi лучшим методом ннднка-
1И является первый — по
,'ошедшей мощности. Од-
электрических пара-
ia использовании любого
сопутствующих разряду
Ркс. 1-5. Типичная форма им-
импульса npi слабак (а) и вн-
тененнром (б) пртбоях в
ira ho этот метод позволяет уверенно регистр про тть
только полностью сформировавшиеся (рис. 1.5)
Сильные» пробои и не обеспечивает четкой инди
начальных форм разряда
Метод индикации по световым явлениям {7, 1A 12,
37, 53, 71] основав на использовании светового изуче-
изучения разряда. При инструментальном ннипкашш с по-
помощью фотоэлементов, фотосопрошв.к-ннп и i. л сле-
следует учитывать светочувствительные .характеристики
индикатора, так как спектральные \apaKri-piiininii излу-
излучения разряда зависят от давления н среды. С \-мснь-
шеиием давления световое излучение разряда сдвигается
в сторону фиолетового края спектра н уменьшается по
интенсивнечми Поэтому этот метоъ наиболее применим
для давлении выше 50 . 100 мм рт. ст. F ... 13 кПа)
Метод индикации по химическим явлениям (jcuimai
на фиксации продуктов раэлсим-кии н гчигфоры, в кото-
которой происходит разряд (например, «зона тлп разряда
в воздухе). Принципиальным нгдоетатким эшго метода
является то, что его чувствнтепыюсть ппредмяпуя к
личеством синтезируемого продукта и. таким пбразо1
зависит от интенсивности разряда. Такой метод, ло-вн-
д иной у, может оказаться пригодным только для фш
цнн окончатетьно сформировавшегося интенсив!
пробоя, но непригодным для индикации наиболее ю
респых форм — начального прерывистого разряда
Метод индикации по барометрическим явлениям
пользует кратковременное повышение 1авлишя при раз
ряде, 'вызванное, по видимому, возникновением ударно!
волны. Величина такого броска давления шзначитсльн:
(тторидка 20 ..3D мм рт. ст B,5.. 4 кПа) в волновод*
3 см диапазона даже при интенсивном разряде), и i
этому метод широкого применения не нашет [137].
Метод индикации по звуковым явлениям [35, 71] ]
пользует акустические колебания разряда Впзмижжх
этого метода ограничиваются неизбежным сильным э\
ковым фоном на испытательных cti-iiijx и систем;
На частотах, соответствующих мнллимсгрпвому диапр
зону волн, индикации становится затрудни пчьний на-'
малой мощности разряда, особых характеристик вкуси
ческой системы «разряд — волновод> п высокой частоп
акустических колебаний.
В заключение краткого обзора методов нгсдикаци]
следует отметить один общий для всех описанных выш<
28
;тодов недостаток—они не позволяют определить
исто пробоя. Для этой цели пригоден так называемый
¦окацноншй метод [78, 79], основанный на использова-
использовании радиоимпульсов очень милой длительности — нано-
. i кундных. Однако значительная сложность аппаратуры
фелятствует практическому применению этого метода.
Наибольшее распространение нз рассмотренных по-
поучили методы индикации по световому излучению и по
исшедшей мощности.
Наконец, при отработке электрической прочности
• 114 устройств большой интерес представляет опреде-
и пне самого слабого (с точки зрения электрической
I ичпости) места н наблюдение процесса возникновения
, чбоя в устройстве. Эта задача решается чнбо с по-
пошью визуальной индикации места возникновения раз-
пн, либо по остаточным явлениям, соответствующим
i гояшно пробоя. Для визуального наблюдения за раз-
|дом применяются отверстия, снабженные залредсль-
Н1 чн трубками-волноводами, устраняющими излучение
| .). либо различные развязывающие устройства, нанри-
41-р. мостовое и др. Подобные устройства обладают ма-
чч углом обзора и ограничивают возможности наблю-
¦ мня. Место пробоя также можно оп реде шть с помощью
¦ иладываемой в волновод тонкой полистироловой плен-
II. восковой бумаги или заполнением волновода ка-
irM-либо твердым СВЧ диэлектриком типа пенополнетн-
,ила [71]. Пробой можно определить и по потемнению
i 1льванического покрытия волновода, прогоревшим или
• •плавившийся местам диэлектрических деталей и дру-
i им признакам. Однако всем описанным способам при-
уща крайне ограниченная индикации пробоя Поэтому
летательно найти способ, который позволил бы свобод-
свободно наблюдать всю картину пробоя во всей полноте ее
ространственного развития.
Методы ионизации. Статистический характер разряда
редънвляет особые требования к эксперименту с тем,
тобы исключить возможные ошибки за счет времени
Возникновение разряда, как известно, требует не
¦ илько напряжения соответствующей величины, но и по-
тлення в эффективной разрятном объеме свободных
прядов, способных завершить разряд. Общая практика
цределения пробивной мощности заключается в посте-
постепенном повышении испытательной мощности до уровня.
29
при которой происходит пробой. Однако среднее с
ст.нческое время запаздывания даже при мощности,
щесгвеняо превышающей пробивную, очень ве!
Если в эквивалентном электрическом постоянном i
время
запаздывания сое
паэдыванин возрастит и
Чтобы Е
ходите я
первого
,'меньш
ызвать разрич fit
создавать шлчнт
разряда время
Этим обстоятельством
нм1-])Ш1 до ча
ii.iF" ч- tirprnn
стат нстически
еще большим.
объясняются
1000 в
са [3].
ожпда
ряжени
реня
Поэтому
пня, при
е Поел
дывари
лшенны
УСТОЙЧ1
значении пробивной мощности, определяемой без при
МЕнения внешней ионизации, так и большой ризбро
в результатах эксперимента. Погрешность заметно >вс
лнчивается в импульсном режиме и в случае неоднород
пий, устранить нежелательную многозначность результв
1Я эксперимента, си-дует применить
источник электронов 13. 4].
назначение такого источника сводится [9] не к соз
Данию сколь-нибудь значительной начальной ношпацнн
а лишь к уменьшению времени ожидания свободных за
рядов в эффективным разрядном объеме, способны
к завершению разряда под влиянием приложение
поля. Роль таких ионизаторов с точки трепни повишенн
та особенно существенна в импульсном режиме генера
цни и в неоднородном поле. В качестве иишиато—i
ьзуютсн разнообразные источники элгктрс» в
шбольшее применение [5, 7. 10, 12, 38, 40] наи i
точники радиоактивного излучения \-частиц с С в
ла. поэтому действие уиэлучення основ г
гав в твердых вещества
объема с образованием* вторичных комптоновскик Л-электроксв По
падая в эффективный объем, в-злектроны ионизируют глэ. Расчет
[91 показывает, что пря актнвноствк источники порядка [0 J ..
. . Ш ¦ Кюри (Кн) число появления rpjnnu влелтронов не превы-
превышает 10> .. 1С1 в секунду. Действие такого источника соответствует
чреэаычанво на^ой вероятности появления подоСпыд групп ^лея-
В проводвыых работах использовались источники
"пличной интенсивности. Так, в частности, радноакткв-
.п- источники v-излучения с Со» применялись с ннтен-
шностью от 65 до 1 мКи [5, 7. 10] и с меньшей интен-
нностью в случае применения а-нз л учения [3] Иссле-
.клния зависимости электрической прочности от
¦нсивности облучения [9] показали, что изменение
i тененвносш в широком диапазоне (в 10* раз) не
шяет на величину пробивной мощности
В некоторых работах в качестве внешнего источника
пользовался вспомогательный тлеющий разряд, созда-
1-мый в области непосредственной близости от иссле-
1-мого разрядного промежутка [13, 49]. Ионизация
помощью такого источника осуществляется за счет
чффунднрующнк в зону разрядного промежутка элек-
|])'шов от тлеющего разряда. В этом случае можно по-
пчнть в разрядном промежутке стабильную начальную
i чкцентрацню электронов примерно порядка КЯ..10*
i см3.
В ряде работ внешним источником ионизации слу-
1Л вспомогательный искровой разряд, также соэдавве-
мий в области непосредственной близости от нсследуе-
in.ro разрядного промежутка [3]. Ионизация в этом
- чучае осуществлялась за счет объемной фотоионизация
промежутка ультрафиолетовым излучением разряда.
-Нот способ ионизации наиболее эффективен даже по
¦ равнению с ионизацией с помощью радиоактивного
получения особенно для небольших (до нескольких сан-
шметров) промежутков [67].
Наконец, в качестве внешнего ионизатора могут
('¦ыть использованы источники ультрафиолетового иэлу-
ichur [3, 101, 141]. Среди разных источников воннзи-
>ующего излучения оптимальным является ультрафио-
ультрафиолетовое излучение открытого искрового разряда, по при-
применение открытого разряда затрудняется сложностью
практической реализации. Поэтому болееудачнымнеточ-
(иком ультрафиолетового излучения следует признать
*пециальные лампы, в частности, ртутно-кварцевые ииз-
;ого и среднего давления. И хотя ультрафиолетовое
излучение спектра таких ламп сдвинуто в сторону боль-
больших длин волн, опыт свидетельствует о вполне удовле-
удовлетворительных результатах такой замены. По-видимому,
i отличие от прямой объемной ионизации газа, которая
имеет место в случае открытого разряда, ионизация
31
с помощью ламп в основной достигается за счет фото-
нонизации стенок разрядного объема.
Сравнительные анализ рассмотренных методов экс-
экспериментального исследовании электрической прочности
СВЧ устройств с точки зрения обеспечения необходи-мой
точности н ловтор не мости результатов свидетельствует
в пользу метода определения пробивной мощности
стоты и универсальности применении наиболее прием-
приемлемой является схема, основанная на метоле понижения
давления с применением ноннэашш ультрафиолетовым
облучением и визуальной индикацией разряда по свето-
световому излучению.
В качестве практического варианта такой схемы мо-
может быть рекомендована методика экспериментального
исследования электрической прочности с пр]
«локального» понижения давления и «прозрач
новодов.
Исслс-юванг
в специальных
гуг уст
нсследоЕ
трам
СВЧ разряда целесообразно проводить
элноводных секциях. Такие секции мо-
гься также в волноводный тракт для
1ИЯНИП СВЧ разряда на параметры
Как было сказано, сущность метода понижения дав-
давления заключается в том. что испытуемый элемент по-
помещается в замкнутый объем, давление в которой может
изменяться, я на уровнях мощности обычного мягне-
тронного генератора олреде-мтотся значения пробивной
мощности (Рщ),. при нескольких значения* понижен-
пониженного давлении Величина номинальной пробивной мощ-
мощности испытуемого элемента {для нормального давле-
давления) определяется экстраппляцпей с помощью кривой
Имея в виду исследования широкого класса воляо-
водимх и коаксиальных элемептов различных диапазо-
диапазонов {от миллиметрового до дециметрового), следует от-
более удобной модификации этого метода — способе
«локального» понижения давления. В этом случае не
элемент помещается в объем с пониженным давлением.
а пониженное давление создастся непосредственно
в испытуемом элементе, который отделяется от осталь-
остальной части тракта специальными герметизирующими
секциями Преимуществом такого способа являются оче-
очевидная простота и дост>пность тресНемого оборудова-
оборудовании, а также техника эксперимента. Другим сушествен-
ым достоинством способа является простота ионичацни
спытуеиого объема с помощью источников ультрафио-
етового излучения. Поскольку ионизирующая способ-
способность такого источника значительно ниже, чем. напри-
ер, у источников радиоактивного излучения, то приме-
применение их в качестве внешнего ионизатора ограничивается
рактическн теми случаями, когда удается ввести
объем максимальный лучок лучей. Только тогда не-
воздухс удается свести к минимуму и оказывается
оэможным получить требуемую ионизацию облучаемо-
облучаемого объема Локальное понижение давления обеспечивает
~то условие.
" давления обеспечивает также эффектнв-
о объема внутренней полости волновода
?го ультрафиолетовыми лучами, осущеет-
т фотоэффекта с металлических поверх-
Лоннжен
дую ионизации
при облучении с
вляемутс
ностеП.
эуемые в paaj
новодных и *
рис. 1.6 [90)
: учетом всего изло
диапазонах для исследования вол-
пьных устройств, представлены на
а СВЧ -_
ыуется импульсный
пасти. Для обеспечения стибь.,—1.
уровня нощнога в непитательно
с помощью регулируемого ;u™Tej
грузкой 4. Циркл-тятор 5 с почт
граф. позволяет также слепить за отражениями от разряда Испы-
- — —-¦—--..".. „„г,,шш я , пг>п1(люченнон к ней ваштувиюА с"
в ыюго тракта
Ь 4 И ИЗМСОИТ1
согласованной вагрузк
В 6 WUUHtBTOfM IS.
стеиой отка
энруюшкнл
Ионизации исследуемою
ультрафиолетового облучат-лн и. в шмчччмяг mii^ju t.v"m*n^,^
— - •читаг.акл) кпч игит тп^'ПКИ ТИПА ПРШ ClieKTP
Jn „„,„..„.. ^ jt ствидартрого мнзкочв-
ч|| гки ыап1]1Гжс1|ИЯ содержит большей частью
ляннн длннчивилиивиго ультрафиолетового излучения. В упоияжу
корстювопювоц части используется специальный двуятактный ге-
генератор высокой частоты (~40 МГц) Поэтому -гампа работает
в режиме высотачястотчого разрндв я спектр ее содержит необхо-
необходимые жесткие ультрвфволстовые лучи.
3-Н5 -33
При исследовании электрической прочности элемен-
>в часто необходимо непосредственное яаблюдепие
«леннй, происходящих на высоком уровне мощности
наиболее стабых местах, процессов возникновения и
развития пробоя.
Известные н применяемые для этой цели приспособ-
приспособления в виде смотровых окон, щелей, снабженных аа-
предельными волноводами, и т. п. имеют много недостат-
недостатков. Наиболее существенными недостатками являются
ограниченность угла обзора и искажение перспективы,
из-за чего экспериментатор практически лишен полного
представления о явлениях, происходящих внутри волно-
волновода-
Некоторый положительный результат в этом направ-
направлении можно получить с помощью условно названных
¦сстчатых> волноводов. «Сетчатый» волновод изготав-
изготавливается на стандартного заменой чзеттт узких стенок
латунной или медной сеткой (рис 1.7). Сетка выбирает-
е-"э
Рнс 1.7. Вн шник внп «сетчатого!
ся нэ соображений техники безопасности непрозрачной
(отражающей) для СВЧ энергии в соответствии с дли-
пой волны рабочего диапазона н уровнями мощности.
Технология изготовления «сетчатого волновода про-
проста н ясна из рисунка. Однако «сетчатыо волноводы не
дают (из-за сетки) возможности фотографировать про-
происходящие внутри волновода явления.
35
Наибо чее соответству ЮщнмН поставленной задаче
можно признать «прозрачные» волноводы и элементы.
Практически «прозрачный» волновод (рис. 1.8) преЛ-
сгавлист собой волновод, изготовленный из стандарт-
(оторого з
ганые. покрытые тонкий эле
прозрачной пленкой. Таг
итропривидящсй, опти-
аи стенка голщиной
:азываетсн прозрачной
ПроПон в шелевон а
330 »
: Ц6 «
дли непосредственного визуального наблюдения и для
фото- нлн киносъемки. Применение подобных волново-
волноводов для исследования электрической прочности целе-
целесообразно при использовании метода понижения давле-
давления, позволяющего ограничиться при испытании невы-
невысокими уровнями мощности J8OJ
Практическая реализация таких волноводов оказалась осущест-
осуществимой благодаря возможности 1эготоилспни тонких пленок вэ полу*
проводящего материала К открытого у этих плгнок нвлепнв так
-книэффе |В1] Это явление нронвли-
1 способностях на СВЧ
л волновода, не влияет на расгтреде_._
обеспечивает ослабление просачнвающеВся через oi
i. AI и др) дли этой челн непригодны, так как наряду с вы
отражательными радиочастотными параметрами, оип oG.ia-
Приме
ipe pa
в в ран
о Прс с
«прозрачных» i
н их низкой теплопроводностью.
Детальный расчет зависимости погонного затухания
в волноводе от величины сопротивления полупроводни-
полупроводниковой стенки приведен в [63]. Опытные образцы волно-
волноводов с узкой стенкой из пленки четыреххлористого
ности, показали вполне удовлетворительные результаты.
При величине сопротивления порядка RQ =15...
...20 Ом/Q погонное затухание в образцах слрозрач-
ных> волноводов составляло 0,10 ..0,15 дБ/см. Для
упомянутых образцов максимальный уровень средней
мощности, не приводящий к заметному перегреву, соот-
соответствовал 50 Вт. Эту величину можно повысить за счет
уменьшения затухания или, точнее, за счет определяю-
определяющего этот фактор сопротивления полупроводниковой
пленки. Эта задача технически выполнима, поскольку
известны технологические способы изготовления пленок
' Пленк
ю характерна
С меньшим сопротивлением Однако следует fine раз
подчеркнуть, что даже предельная величина мощности,
Рср=Ъ0 Вт, применительно к <прозрачныы> вол нови la м
вполне достаточна, так как прнншшна 1ьно лх исполь-
использование предполагает работу с пониженными ¦ишлспия-
НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА СВЧ РАЗРЯДА
Для оценки электрической прочности р 11|> |бливае-
мых устройств, определения возможностей u путей се
повышения необходимо иметь представ л пни- и харак-
характере развития разряда и зависимостях разрядной напря-
напряженности от основных факторов. Лредставлиет интерес
также влияние разряда на режим работы и электриче-
электрическую прочность сложного тракта в комплексе.
Перечисленные вопросы рассматриваются в данной
2.1. Краткие сведения о физических процессах СВЧ
разряде
Благодаря значительному числу работ в области ис-
исследования свойств и особенностей СВЧ разряда соз-
создана теория, которая описывает природу н основные
закономерности разрядных процессов.
СВЧ разряд представляет собой с-южное явление,
отличающееся от разряда на постоянном токе. Рнс '2 1.о
отражает качественную зависимость разрядной нанря-
\
1.33 td
UJ»* рА.смПа
у
ясенности от частоты. На кнэких частотах (участож 1)
разряд происходит почти при том же значении (/щ,, что
и в случае постоянного напряжения. Когда частота
увеличивается настолько, что в течение полупериода по-
положительные ионы не успевают пройти разрядный про-
>бъемныи заряд. Это приводит
снижению пробивного значения напряженности на сред-
средних частотах (участок 2). При дальнейшем увеличении
частоты механизм разряда еще более усложняется, так
как амплитуда колебаний электронов уменьшается и на
СВЧ становится сравнимой с длиной разрядного про-
промежутка. В таких условиях электрон, много раз про-
проходя расстояние между электродами в па правлении
vcKopfltoiuero поля, может создавать кумулятивную нонн-
1ацню, что приводит к снижению пробивной напряжен-
напряженности (участок 3). Снижение пробивной напряженности
с повышением частоты еще более заметно для неодно-
неоднородных полей. Так, по данным [85] пробивное поле па
частотах 10е... 10' Гц составляет 0,75...0,8 Гц от про-
бпвного поля на f=50 Гц в однородном поле и может
составлять менее 0,5 в неоднородном поле.
Другая особенность СВЧ разряда заключается
в том, что в силу -малости амплитуды колебаний елек-
трона, много меньшей длины промежутка, процессы на
электродах не играют роли в общей картине разряда.
Основными процессами, управляющими СВЧ раэря-
кулами газа электронов, обладающих высокой ско-
скоростью колебательного движения, и потери электронов
в результате диффузии нз разрядного объема, захвата
(или прилипания к нейтральным молекулам) и реком-
рекомбинации. Если скорость образования электронов равна
скорости их устранения, то устанавливается стационар-
ное состояние. Но как только скорость образования
электронов даже незначительно превышает скорость их
потерь — плотность электронов резко растет и наступает
пробой.
Основное уравнение, выражающее баланс между про-
процессами образования н устранения электронов в разряд-
разрядном объеме, называемое уравнением непрерывности для
электронов, имеет вид [I]
ур
мое ур
д [I]
Здесь я — концентрация электронов; vM —частота нони-
зацин; Vf^va+Vu — частота устранении электронов;
¦»„—частота диффузия; vD — частота залвата (прили-
(прилипания)
Частота ионизации v* при постоянном чавле-
ннн зависит от частоты приложенного ноля ы и через
анергию электронов — от напряженности электрического
Поля Е. Частота устранения х, определяется
процессами прилипания электронов к нейтральным мо-
молекулам и диффузии электронов к стенкам. Эффектив-
Эффективность захвата зависит ит вида газа н давления. Эффек-
Эффективность диффузии зависит от конфигурации и размеров
разрядного объема. Рекомбинацией можно пренебречь
ввиду малости кии центр ami u j-к «тронов перед пробоем.
Практически возможны режимы, когда преобладэю-
ктронов В "Синем спч.-ic шимчжсп режим.
ющий совоК) пности обоих механизмов С уче-
ст-
стщая роль
потерь эл(
Первый член правой части уравнения B.2) соответ-
соответствует скорости ионизации, второй член — скорости
терь электронов за счет прилипании Третий соотв
вует потерям за счет диффузии н равен дивергенции
плотности диффузионного тока VI\ который выражается
через градиент произведения коэффициента диффузии
(D) и плотности электронов [3] Г=— V(№)
Уравнение B.2) имеет следующее решение:
л = л.е*"сЛ B.3)
где п и по —конечная и начальная концентрации члек-
тронив; v«ft — частота истинной ионизации (v,1(T—
=v,,—\л); t — время, необходимое для достижения ко-
конечной концентрации.
Увеличение напряженности поля ? выше значения.
удовлетворяющего уравнению B 3), приводит к iaBii-
нообраэному возрастанию концентрации электронов п
до тех пор. пока шунтирующая проводимость разряда
ие уменьшит амплнтуту Е до величины, соответствую-
соответствующей B3). За 11робнвк>ю напряженность поля принята
такая, которая необходима для достижения критической
плотности электронов Лр=1013 см-* за определенное
время формирования разряда /ф. Этот промежуток вре-
времени, несущественный прп работе в непрерывном режи-
>•¦'. является весьма существенным в импульсном режи-
-.1 В этом случае для возникновения пробоя дополни-
ильным условием является необхолимость достижения
критической плотности электронов до окончания нмпуль-
~ пробивных напряжепностей в им-
реж
как
|' непрерывном режнм|
Величина критической напряженности электрического
¦ля ?„р, при которой возникает разряд, зависит от
'"«ты сто-гкнивения v,T=5,3.|0»p и круговой
|.1<!тоты ш приложенного электрического поля. Для
греэслення се пользуются величиной аффективного
пля, равной
1 + *»ЧЛ". B.4)
1ием приложенного электриче-
Ипл эффективным
Irfll О ВЫСОКОЧЭСТОТ
пряженность. cooтвeтcтвvюшaя напряженности постоян-
постоянного поля С, которая сообщает электронам равную
¦ |1сдгаою энергию
Время формирования разряда состоит из времени
. гатистнческого запаздывания и времени собственно
|||ормированнн Известно, что для возникновения раз-
разряда необходимо присутствие хотя бы одного свободного
чектрона. Число эффективных вторичных электронов,
появляющихся в объеме СВЧ элемента за счет естест-
иенной ионизации, составляет 6..-10 электронов в мн-
куту на 3 см1 площади «тенки [35] Вероятность по-
шления свободного электрона определяет время стати-
(тнческого запаздывании разряда. Время статистическо-
статистического запаздывания t3 импульсного разряда подчиняется
гону же статистическому закону распределения, что И
B-5)
N —
фобо)
фр
йяй сйставляет 16-S...KH с с фазой СбЧ поля. Вр<*Я
формирования разряда обычно имеет порядок 10~*..
Типичная зависимость пробивной напряженности от
Давления [1] приведена на рис. 2.1.6. изображенная
в координатах инвариантных величин ЕЛ—рЛ. Здесь
Л—параметр, называемый характеристическое
диффузионной длиной, соответствует мини-
минимальному размеру разрядного объема. При низких дав-
давлениях рЛ<10, что соответствует условию vCT<<d. элек-
электроны успевают совершать много колебаний между дву-
двумя столкновениями. Зто уменьшает эффективность СВЧ
поля B.4) и приводит к увеличению разрядной напря-
напряженности. При высоких давлениях рЛ>100 и большой
частоте столкновений VctSxh электроны не успевают
приобрести достаточной энергии от поля за время сво-
свободного пробега. Это также приводит к увеличе-
увеличению пробивной напряженности. Минимум напряженно-
напряженности соответствует условию равенства частот столкновс-
VcT^adl- B.6)
Давление, при котором напряженность проходит через
минимум, называется ркР. Характерный вид зависимости
пробивной напряженности от давления соответствует
различным режимам разряда. Левая ветвь кривой опи-
описывает так называемый диффузионный разряд при низ-
низком давлении, когда определяющим механизмом потерь
являются диффузионные потерн. Правая ветвь описы-
описывает разряд при высоком давлении, когда определяю-
определяющими являются потерн на прилипание. Из рис. 2.1.6
следует, что роль размеров пбъеча Л существенна
в диффузионном режиме разряда. С уменьшением дли-
длины промежутка возрастают диффузионные потери и со-
соответственно растет Ешр.
Характерный вил кривой ?Л(рЛ) напоминает ана-
аналогичную зависимость разрядной напряженности на по-
постоянном токе, которая называется законом Панина.
Однако это сходство чисто внешнее, поскольку обе за-
зависимости соответствуют различным процессам.
Еще дас характеристики разряда представляются
весьма интересными с практической точки зрении: зави-
зависни ость от температуры и особенности разряда в атмо-
атмосфере электроотрицательных газов.
42
Влияние температуры на электрическую СВЧ проч-
прочность специально не исследовалось. Исходя из общих
соображений можно предположить, что поскольку энер-
энергия, приобретаемая свободным электроном, пропорцио-
пропорциональна длине свободного пробега между двумя столкно-
столкновениями, то определяющим фактором явлиется плот-
плотность газа. Эта'величина однозначно связывает давление
с температурой газа, что позволяет предположить ана-
аналогичный характер указанных зависимостей
Особенность разряда в атмосфере электроотрица-
ному захвату свободных эЛектронов. В условиях повы-
повышенного давления (рЛ^ШО), где процесс раэрядообра-
пряженностей с увеличением коэффициента прилипания.
В табл. 2 приведены значения коэффициентов
прилипаниям для некоторых газов [2].
Газ
•„/07X133). си-'-Па-'
шлипания не
Воздух
0,004...0.012
которых газ
Кислород
0,02...0,1
Ф
0.8
..1.0
Следует отметить, чго исследования СВЧ разряде
проводились в основном в условиях однородного или
слабо неоднородного поля и пониженных давлений.
Поэтому особый интерес представляют зависимости, ха-
характеризующие СВЧ разряд в условиях неоднородного
поля при нормальном и повышенном давлении. Именно
эти условия соответствуют работе реальных устройств
наземных СВЧ систем. Кроме того, представляются су-
существенными особенности развития СВЧ разряда
в сложных волноволных структурах.
2.2. Особенности развития СВЧ разряда
w однородном и неоднородном электрическом голе
Из исследований разряда на постоянном и перемен-
переменном токе известно, что доминирующим фактором, опре-
определяющим форму разряда и процесс его развития при
прочих условиях, является характер распределения
электрического поля в разрядном промежутке Мм'ыго-
дення на СВЧ подтвердили это и соотвек тиующи*- ис-
исследования СВЧ разряда проводились для двух случаев:
однородного н неоднородного ноля.
Однородным считается поле, распре п.-чгннш* рлиип-
ыерно в межэлсктродном пространстве, т с nn.it-. на-
напряженность которого равна постоянной т-лнчшк- f-=
=Ecp=const. Неоднороднее поле, напротив. \jp.ihu'pn-
вдоль разрядного промежутка. Критерием стгш-пп не-
неоднородности поля уяобно использовать епшнкчше
[97] максимальной напряженности Еяякс к среднем ?.р
<7=?™,,j?.r.. B.7)
Здесь ?.,. U,tl. i4i- U прилпжснине нлирнление'
и й — длнн.1 ралрмцшш иримеж^гка Иршшго считать,
что для pdho hi4i:inopo 1мы\ нолей ц 1 11рнмером
чн -*.ifhTpiLi.iun. иришром нсиднородного —тюля элск-
тродин рачп .IV конфнг) р.-шип В описываемых иссле-
донанннх с *п!|[ uo.ii,h> применялись секции регуляр-
регулярного примиугпльншо нчлковчда для создания однород-
пенью пеодииродностп тля создания неоднородного
Обиыя картина возникновения и развития разряда
для однородного и неоднородного полей оказачась схо-
схожей Однако различие в характере распределения элек-
электрического поля определит некоторые особенности
формы и последовательности развития разряда.
Для полей резко неоднородных напряженность
средней напряженности в разрядном промежутке, зна-
значительно меньшей, нежети требуемая для пробоя всего
промежутка. Поэтому при наблюдении картины пробоя
видны как бы две фазы развития проБия. Первая—
местный пробой на неоднородности (Электрою) и вто-
вторая— пробой всего промежутка
На рис. 2 2л представлена схема развитии разряда
на простейшей Неоднородности в волновол- кошеном
пропорциональное поткречнчй состанляющрП плиряжпшисти элеч-
44
я разряда ¦ реэко н<
(б) п
злектроде — в воздухе при нормальном давлении По
мере увеличения мощности в линии средняя напряжен-
напряженность достигает некоторого уровня, при котором на
неоднородности в точке максимальной напряженности
электрического поля возникают отдельные кратко-
пременные вспышки местного разряда — корона 1
(рис 2 2,о). Коронный р а э р я д — это частичный
разряд, не замыкающий электроды и характерный для
неоднородных полей. Особенностью этой стадии разряда
остойчивый характер его. Разряд уверенно
при
шней
а при устранении ионизации он исчезает
случайно, спорадически. Это форма несамостоятельного
или несамоподдерживающегося [6] разряда, для уве-
уверенного возникновения и поддержания которого необ-
необходим внешний источник ионизации. Напряженность
(или мощность), соответствующую возникновению раз-
разряда, обозначим разрядной — ?р Разряд еще недоста-
недостаточно интенсивен и ограничивается малой прнэлектрод-
ной областью. По мере дальнейшего увешчення напря-
напряженности интенсивность разряда возрастает, увеличи-
увеличивается число разрядных каналов и он приобретает вид
45
кистевого разряда 2. Кистевой разряд -этп сле-
следующая стадия коронного разряда с сильно развитыми
разрядными каналами.
При дальнейшем увеличении мощности разриг раз-
развивается в глубь разрядного промежутка и при неко-
некоторой напряженности Евси появляются единичные раз-
разряды-искры, замыкающие весь разрядный npovr*\™iK.
Искровой разряд Я — неустойчивая форма м р-
шенного, т. с заминающего электроды, дугового |>a jря-
jряда. В этой стадии разряд становится самапсддсржцраю-
щимся и, возникнув, может существовать даже после
того, как внешний источник ионизации будет устранен.
Наконец, при некоторой напряженности ?j разви-
развивающийся разряд завершается пробоем всего разряд-
разрядного промежутка —дуговым разрядом 4. В этик
условиях разряд представляет собой устойчивую форму
самоподдерживающегося разряда и отличается боль-
большой интенсивностью. Он сопровождается значительным
излучением света и звука.
Дальнейшее повышение мощности и соответственно
интенсивности дугового разряда приводит к новой фор-
форме разряда — пробою регулярного волновода в области
непосредственной близости к неоднородности 5. Про-
Пробой волновода, которому соотретствует напряжен-
напряженность ?ш, представляет собой' разряд, замыкающий весь
разрядный промежуток, равный высоте волновода, и
состоит как бы из трех частей: двух образований из
отдельных ярких искровых каналов у широких стенок
волновода — мгновенных электродов и плазменного
облака 6, асимметрично вытянутого вдоль волновода
в направлении к генератору СВЧ энергии. Эта форма
разряда развивается при достаточно высоких уровнях
мощности мгновенно, без каких-либо промежуточных
переходных форм, после того как сформировался дуго-
дуговой разряд на неоднородности. Указанная последова-
последовательность характерных значений средней напряженно-
напряженности условно изображена на шкале рис. 2.2.И
На фотография* рве 2.3 представлена картина развития раз-
разряда в воздухе на одной нэ разновидностей волновещвого разряд-
разрядника конусной форды. На рне. 2.3л видна начальная форма раз-
разряда на острие вершине конуса в воде раздельны» искровых кана-
яо.. Так
[. Капрнж!
наблюдаться
характер спораднче*
л повторяющихся
т внешней ионная-
низкой рвдпочастси
данному уровню ,
— тыл (см. / рнс 2.ЗД.
[11J показали, что в от.
V
Г»
Рис 2.3. Развитие разряда на неоднородности в
23x10 vii при нормальном давлении (/—4 со
разряда по схеме рнс 2.2.а).
личяе от разряда иа постоянном ток* прн разряде ив переменно*
токе в важдын момент времени существуют отдельные разрядные
каналы. В нашем случае, по-видимому, наблюдается то же самое,
гак как пространственная ориентация в конфигурация разряда все
время видоизменяются. Стабильно существующий разряд все время
как бы флюктуирует. Такая флюктуация разряда является следст-
следствием его изменяющейся формы, соответствующей постоянному исчез-
исчезновению одних и появлению других искровых каналов
По пере увеличения мощности [
рис. 2Д6 (см 2 рпс. 2.2.0) Однако
нами несаыоподдерживаюиюгося рьцмда и> «клишти, вп
" я разряда, н в случае устранении
.. гаэряд исчезает. Дальнейшее увсли-
развитню разряда в глубь разрядного
¦ " "О электрода — широко!
а рас 2.2,а>. I
преимущественный направлением развит»* раэ-
|я поля за счет енчыюи самононнзащш, сущест-
в облает разрядного объема, появляются радиальные со-
енностн электрического поли |67], которые при-
приводят к возникновению боковых искровых каналов (рве 2.3^)
Высокая плотность ионизации в области разрядного объема позво-
позволяет развиться этни боковым каналам даже в направленна мет
разностн потенциалов — в сторону нижней стена волноводов.
Шкопец. ори определенной яапряжевиоети к ьсшностн Ра ни-
тенсквность разряда достигает такой степени, что uu псршцднт
в щтовой разряд, отличающийся высокой плогиостью тока и со-
провождающнйся н^гтеаснвным свртовыы ¦ 3hvrdbhu adhbeKTnu
рис 2.3,d. е. (см. 4 „а рис. 2-2.а). W
Дальнейшее повышенве мощности приводит н пробою регуляр-
регулярного волновода — рве. 2Дж (см. 5 па рнс. 2.2,а).
Схема развития разряда в полях различной ст
неоднородности будет, в общем, соответствовать
санной выше Отличаться будут лишь абсолютнь
пени
|»ку величина раэрцдной напряженности ?,. опре-
определяется реальной максимальной напряженностью на
неоднородности, то (при данном значении ECf>) величи-
величина Ер будет тем меньше, чем больше степень неодио-
родностн поля и наоборот. Это иллюстрируется рнс. 2.4,
па котором представлены для сравнения данные для
элементов с различной степенью неоднородности элек-
электрического поля. На рис. 2 4,п приведены величины раз-
разрядной мощности Рр и мощности дугового пробоя Рп
при разных давлениях для двух элементов с q^I я
0^=13. Из рисунка видно, что ббльшей степени неодно-
неоднородности соответствуют меньшие разрядные Р„ и про-
пробивные Я, мощности Причем степень неоднородности
более существенное влияние оказывает на величину Рр,
т. е. на уровень -мощности, соответствующий началу
разрядообразования (вследствие влияния q на Еятс)
тогда как уровни мощности, соответствующие образо
ванню дуги Р„, различаются сравнительно меньше
4В
(В рассматриваемой случае величины Р„ различаются
почти в два раза, а уровни Ря — приблизительно на
20%.)
Исследования разряда в однородном (почти одно-
однородном) поле показали подобие развития разрядных
явлении. На рис. 2.2,6 изображена схема развития раз-
разряда в условиях слабо неоднородного поля (полусфери-
(полусферический электрод. ?=t3). В этом случае корона не воз-
возникает и начальная форма несамостоятельного или не-
самоподдерживающегос я разряда соответст-
соответствует искровому /на рис. 2.2,6, который при по-
повышении напряженности переходит в устойчивый само-
самоподдерживающийся ду-говой разряд на неод-
неоднородности 4, а при дальнейшем повышении мощности
(напряженности) — в пробой регулярного волновода 5.
На рис. 2.4,6 приведены относительные величины Рр
и Ра (разрядной и дуговой мощностей) для слабо не-
неоднородного поля. Сравнивая эти данные с предыдущи-
предыдущими, можно видеть, что для неоднородных полей харак-
характерен значите тытыи мощностной интервал формирова-
формирования разряда AP=Pn—Pv, тогда как в однородных по-
полях мощность возникновения разряда Рр и мощность
завершенного разряда Рд различаются мало. Приве-
чение интервала формирования разряда с повышением
давления. Эти результаты аналогичны полученный
Лёбоы [6] и Бенингом [86] на постоянном токе
Малый (а в некоторых случаях вообще отсутствую-
отсутствующий) наблюдаемый интервал формирования разряда
и другие особенности в полях с малой степенью не-
неоднородности создают внешнее впечатление того, что
развитие разряда в однородных поляк существенно
отличается от развития разряда в неоднородных. Это
цессы раэрядообраэованив подобны случаю неоднород-
неоднородного поля. Однако скорость протекания тех же процес-
процессов в однородных полях столь велика, а напряженность
возникновения разряда так близка (или равна) дугово-
дуговому, что проредить устойчивую последовательность яв-
явлений очень трудно. Разряд на электродах сферической
или цилиндрической формы развивается мгновенно, без
видимой последовательности всех характерных этапов
развития и в отсутствие заметного интервала форми-
формирования. Подобное явление наблюдалось при исследо-
регуляр
более
eaumi разряда на постоянном токе [66]. В случае же
неоднородного поля разряд характеризуется значитель-
значительным интервалом формирования, все фазы развития раз-
разряда определены, последовательность развития свобод-
свободно наблюдается и может быть зафиксирована.
Для большинства «олноводных устройств участок
гулярного волновода одновременно является и наи-
вктрически прочным элементом. Даже в тех
случаях, когда применяются устройства с элементами
увеличенной высоты, как, например, в фильтрах высо-
высокой мощности или герметизирующих секциях с диэлек-
диэлектрическими вкладышами, электрическая прочность ре-
регулярных участков волновода стандартной высоты ока-
оказывается наибольшей. Поэтому, если в устройстве
возникает разряд, то возникает он, как правило, в не-
нерегулярной части.
Пробой регулярного волновода представляет собой
конечную форму устойчивого самоподдерживающегося
дугового разряда. Это разряд, перекрывающий разряд-
разрядный промежуток между противоположными широкими
стенками волновода, который может развиваться раз-
различными путями в зависимости от условий. Дуговой
разряд может возникнуть как в результате непрерыв-
непрерывного перехода через ряд устойчивых состояний, как это
имеет место при неоднородном поле, так н в результате
скачкообразного перехода, минуя отчетливо различимые
промежуточные стадии при однородном поле.
Возникновению дуги в регулярном волноводе пред-
предшествует квазиустойчивое состояние существования
искрового самоподдерживающегося разряда, который
развивается из несамоподдержнвающегося, т. е. из на-
начальной формы видимого разряда. (В случае резко
неоднородных электрических полей этой начальной фор-
формой разряда является коронный разряд.)
Таким образом, именно начальная форма разряда
и соответствующий ей уровень мощности в конечном
счете определяют электрическую прочность устройств,
поскольку эти условия соответствуют возникновению
разрядных процессов и нарушению нормальной работы.
Поэтому для характеристики электрической прочности
устройств пользуются соответствующей величиной мощ-
ряТн'ой Рр:
Р^Р» B-8)
2.3. Пробивная напряженность воздухе
X фвКТОрО!
Опубликованные ранее в литературе сведения о ве-
лнчнае пробивной напряженности воздуха н характере
ее зависимостей были получены в ограниченном частот-
частотном диапазоне применительно к узкому кругу частных
задач. Для получения более полной картины было про-
проведено специальное исследование типовых волноводно-
коаксиальных элементов в широком диапазоне длин
волн. Некоторые материалы этого исследования изла-
излагаются в настоящем параграфе.
На рнс. 2.5,0 представлена экспериментальная зави-
зависимость пробнвнпй мощности от давления для регуляр-
регулярных волноводов: прямоугольного размером 23X1,0 мм
и коаксиальных размером 13.4/4,0 и 16/4,8 мм. В тех
случаях, когда мощность СВЧ генератора оказывалась
недостаточной для пробоя волновода при нормальном
чавленин. эта точка экстраполировалась (пунктир). На
рис. 2.5,6 представлена экспериментальная зависимость
пробивной мощности от давления для неоднородностей
различного характера в вгнде полноводных электродов.
На рисунках даны зависимости для следующих эле-
элементов: / — волновод (Х=3 см); 2 и 3— коаксиалы
а=35 см); 4 — электрод конусный {\=3 см); 5—»лех-
трод зондовый (к=3 см); 6 —электрод полусфериче-
полусферический (>.=3 см); 7 — электрод полусферический (Х=
= 10 см). (На рнс. 2 6 приведены зависимости пробивной
напряженности от давлении для элементов рис. 2.5.)
Полученные результаты позволяют определять вели-
величину пробивной напряженности воздуха при нормаль-
нормальном давлении (табл. 3) в широкой диапазоне частот
(рис. 2.7)
Таблица 3
еезвухо но СВЧ при
и д йы
нормально
\, см
Ею. «В/с
¦ даеле
ии я з
35
B.S
юеисияеег
10
29.5
3,2
30.0
ны волны
0.8
40.0
Пробивная напряженность незначительно меняется
в широком интервале частот ло 10 ГГц н резка возрас-
возрастает на более высоких частотах. Резкое возрастание
/
/
п
/.
/
/
3
/
'г
7
У
}
i
т
too
W
/
/
/
/
/
1
А
t
/
/
да «V ZOO 300 «Я! 600 пмтрлст
210* *-w* aw*
16-Ю Па
в
в различны)
№
пробивной напряженности подтверждает
ния, сделанные в [13], и объясняется существенным сни-
жениеч эффективности ионизации на высоких чветотах-
Прнвсденные выше экспериментальные данные,
а также материалы исследования большого числа слож-
сложных волноволных и коаксиальных устройств в широком
диапазоне частот позвплнлн определить характер зави-
зависимости пробивной напряженности (мощности) от дав-
давления.
Оказалось, что характер зависимости между пробив-
пробивной напряженностью и давлением одинаков как для
регулярных волноводов, так и для меоднородностей не-
V
1
г
1
1
I
Рнс В.7. Зависимость пробив-
пробивной напряженности поздуха
ЕГР=ЮХЕ ит частоты при
нормальном $
Эти данные свидетельствуют также о том, что харак-
характер зависимости Ещ,[р) одинаков в различных частот-
частотных диапазонах (рис. 26)
Аналитические выражения, аппроксимирующие зави-
зависимость Рщ,{р) и Еяр(р). имеют вид функций парабо-
параболического типа
РщреВр* Г*Вт] B9)
и
Fm^Ap^ [кВ/см]
Здесь А н В—о
фициепты.
B.10)
•ствуюшие нормируюшие коэф-
Тек, например, зависимость Рщ,(р) для коаксиаль-
коаксиальной линии 3 на рис. 2.5.а соответствует выражению
Лт=1б,5.10-вр'</>[кВт1,
где р—давление в Па.
Зависимость ?пр(р) для электрода 7 соответствует
?я,= 14.7-10-'р3-4 [кВ/см].
Ошибки при аппроксимации соотношениями B.9) н
B.10), как показал анализ, не превышают 10% по мощ-
мощности или 5% по напряженности- Рассчитанные с по-
помощью соотношений B.9) н B.10) зависимости построе-
построены на рис. 2.5. 2.6 (сплошные линии).
Подтверждение сделанным выше выводам можно
увидеть также б материалах других работ, на-
например в [J]. Задача автора [1] состояла в определении
величины пробивной напряженности в воздухе, азоте,
кислороде на частотах L-, Х- и ^-диапазонов1 в интер-
интервале давлений от 1,33-10* до 1,33 Па. Автором тщатель-
тщательно и с помощью совершенной техники эксперимента
были проведены исследования в нескольких специаль-
специальных резонаторах, различающихся характеристиче-
характеристической длиной2, с тем, чтобы оценить роль различных
разрядных процессов. Измерения проводились на часто-
частотах 992...994 МГц, 9.3...9.4 и 24,1 ГГц, применялся
внешний ионизатор Со60. Автор не ставил целью опре-
определение зависимости пробивной мощности от давления
или получение обобщенного материала по этому вопро-
вопросу. Однако полученные им данные лпзволяют провести
подобный анализ н обнаружить некоторые любопытные
факты.
Результаты исследований [1] в импульсном режиме
Представлены на рис. 28. Если на тех же рисунхах изо-
изобразить зависимости Е(р3/4) штрихлунктирной линией,
ления C.99- 10я... 5.32-10* Па° для диапазона L
2,66-10»... 3,99- 10s Па дли диапазона X « т. д.). правые
ветви экспериментальных кривых хорошо соответствуют
указанной зависимости. Величина характерного лавле-
1 Согласно принятой в США буквенной системе обозначения
дналазонод р&дноволл диапазон L соответствует полосе 0,39 . .
... 1,55 ГГц, S-1.5S ... 5.S ГГц. X — 5.2 ... 10,9 ГГц. Я-1С.9
...36,0 ГГц.
1 ХдрактернстнческоВ длиной Л называется лвраыетр, соответ-
соответствующие игаишальюку радору Измсрнтельногп резонатора.
тотой. Роль размеров разрядного объема можно оценить
из данных рис. 2S. Нетрудно видеть, что выше указан-
указанного характерного давления Рп, правые ветви кривых
совпадают и являются общими независимо от размеров
разрядного промежутка (параметр Л). Таким образом,
в данном случае, как и в проведенных опытах, характер
зависимости ?(р) в рассмотренном интервале давлений
и размеров разрядного промежутка оказался одинако-
одинаковым для различных частотных диапазонов и неоднород-
ностей. Аналитические выражение этой зависимости со-
соответствует соотношению B 10).
Исследования автора [1] проводились в достаточно
широком интервале давления, н кривые рис. Е.8 соот-
соответствуют различным разрядным процессам. В частно-
частности, при малых давленпнх {левая ветвь кривой) домини-
доминирующим процессом потерь электронов является
диффузия, что нашло соответствующее отражение в за-
зависимости от параметра А (рис. 2.8,6). При увеличении
давления выше некоторого значения (правая ветвь
кривой) преобладающим механизмом потерь электронов
становится прилипание и пробивное поле перестает за-
зависеть от размеров объема.
Полученные результаты (рис. 2.6) соответствуют
именно правой ветви кривой Е(р)—«формальной кри-
кривой Пашена», т. е. соответствуют условиям пробоя, опре-
определяемого явлением электронного прилипания. В общем
виде подобные условия характеризуются достаточно
большим эи;
количествен*
разные знач
И КОТОРОМ А
гаченне даел
Ка.
чем рЛ, причем для различных частот
выражение этого условия приобретает
1. Соответственно и интервал давлений,
но считать справедливой зависимость
длиной волны. Определим мннпмаль-
ягая, допускающее принятую анирок-
_ __. минимум пробивной напряженности
кривой Е(р) (рис 2 8) соответствует переходному мо-
моменту в paiBHTUH разряда от большого числа соударений
за одно колебание электрона к большому числу колеба-
колебаний за одно соударение Это выражается условием
vrl—ш, B11)
где Vct — частота столкновения электронов с нейтраль-
нейтральными молекулами; ы —круговая частота электрического
поля.
Частота столкновения v,T электронов зависит от
эьергин электронов, по, как было определено многими
авторами [1, 2, 7]. с достаточной степенью точности для
воздуха может быть принято некоторое среднее значение
ViT=5,3-109(p/l33) B.12)
Тогда давление р„р, соответствующее минимальной
пробивной напряженности (точке перехода частоты
р7.=47,2 102, Р//=],57-10-'. B-13)
Здесь р — давление. Па; У.—длина в
I — частота, Гц.
Расчетные значения, например,
ftp* 1.6-10* 11а для /=992 МГц (диапазон ?);
Р.Р= 14.6-101 Па для /=9400 МГц (диапазон X),
р,^ 38,6-Iff Па для /=24]СЮ МГц (днмэоя К)
соответствуют результатам, полученным в [L].
Вторую характерную точку правой ветви кривой
(давление ргр), соответствующую переходу к пробою,
управляемому явлением прилипания, можно уточнить
с помощью данных рис 2.8. Это давление определяется
точкой касания кривой Е{р) с прямой Е{рзл). Из гра-
рг^C...5)Ргв. B.14)
оздухе
Для исследованных частот ргр лмеет следующие зна-
значения:
Ргр=5,32-1№ Па для f=992 МГц (диапазон L);
Prv=4.7.UP Па для /=9400 МГц (диапазон X);
ргП=12-103 Па для /=24 100 МГц (диапазон К)
чему также соответствуют результаты, полученные в til-
Для давлений выше Ргр кривые пробоя совпадают с пря-
прямой ?=f (р3'') либо (в линейном масштабе) —с кривой
?/p=F(l/p"'). B.15)
Н табл. 4 даны приближенные величины давлений р„р
и Ргр ДЛЯ некоторых частот. Значений ргр следует учи-
учитывать, в частности, при выборе предельных испыта-
гс1Ы1ы.х давлений дли исследования электрической
прочности элементов с применением имитации высоких
\ ровней мощности понижением давления.
Тавлипа 4
Давления р,р и ргр для розппньпС частот
,.»г„
800
1ГКЮ
SSOO
3000
5000
10000
2400П
37000
х.™
37 Б
12 0
10.0
0.8
1.0
12,0
3,0
пробивной напряженности и мощности от давления опи-
описывается соотношениями B.10) и B.9) Давления р«р
т<0|з'... 0,5Кмкс.3аПИСНМОСТЬ
Можно полагать, что для других газов характер эа-
и пси мости Сцр(р) сохранится таким же. Отличаться Су-
Суют только собственно велиянна СИр. которая опреде-
определяется значением коэффициента прилипания данного
При рассмотрении зависимости пробивной напря-
напряженности от 1авлсния температура предполагалась по-
стоянкой и равной ялн близкой 293 К B0°С). Абсолют-
Абсолютное большинство экспериментальных нсследовани
сверхвысокочастотного разряда осуществлялось именно
при этих условиях.
Для выяснения природы зависимости пробивной на-
напряженности от температуры следует исходить из того
факта, что электрическая прочность разрядного про-
промежутка определяется числом молекул газа, приходя-
приходящихся на единицу объема или, точнее, на единицу дли-
длины пробега электрона в направлении поля. Это число
физически определяется не столько давлением, сколько
плотностью газа, которая, в свою очередь, связана
с давлением и температурой. Поэтому Ещ, является
функцией ire давлении, а плотности газа. А так как
плотность газа связана с температурой н давлением
обратными зависимостями, то уже это обстоятельство
давало основание предположить [86], что характер
влияния температуры на пробивную напряженность бу-
будет противоположным по сравнению с влиянием давле-
Имея в виду сышесказанпое, в более общей форче
зависимость пробивкой напряженности от давления
температуры (с учетом уравнения газового состояния),
по-видимому, примет вид
E,JEinp -v. Ра.'Р] = (Г, 'Га)я (/>, '/>,)". B.16>
Показатель а характеризует определенную ранее за-
зависимость пробивной напряженности от давления при
постоянной температуре и равен 3/4.
Экспериментальная проверка указанного соотноше-
соотношения была проведена в интервале температур —50..
+ 130°С. Измерения производились по принятой мето-
методике. Спнматась зависимость Рщ>(р) при различных, по
постоянных температурах (—50. О, +20, +50. +100,
+ 130"С) Затем по полученным результатам определя-
определялись значения {Pnp)t для нормального давления.
На рнс. 2.9 представлены результаты измерений од-
одного из волноводных элементов. Рис- 2.9,« показывает
зависимость пробивной мощности от давления при по-
постоянной температуре, и полученные в этом случае
результаты соответствуют определенной ранее завися-
мости B.9). На рис. 2.9,6 представлена зависимость
проСипной мищности от температуры при постоянна*!
v«
ВО
во
W
30
20
1
ПТ
ш
1
•We
200 -
too -
90 -
en -
w
к
\
zoo job too г,к
221 Ш 321 37! Г. В
(нормад
" Евр у;
Рт-^ОГ* и Ещъ(Г)^>\ B.17)
Эти результаты подтверждают правильность сделан-
сделанных предположений. На рис. 2.9.S представлена зависи-
зависимость пробивной мощности от температуры и аппрокси-
аппроксимирующая кривая
PT2rPTl-^{TtIT,f'\ B.18)
Далее, если соотношения B.17) представить
нутом внче, подобном B.16)
B.1S)
и ее in Eijjp соответствует нормальным условиям (т. е.
р^ 101 кПа и l~2(fC), то зависимость пробивной на-
напряженности от температуры и давления можно записать
так:
ЕЯ9=Ещ?рЗ- 10-WdM B-20)
или для пробивной
(здесь р в Па.)
Хотя зависимость Рщ>(Т) (рис. 2 9,в) получена в ин-
интервале температур —50...+130Х B23...403 К),
ли-видим ом у. характер ее сохранится и значительно
большем интервале температур, по крайней мерс, пока
не проявится роль термоэмиссии стенок объема или дру-
других побочных факторов.
2.4. Дисеипаг*
в свойства разряда
Днсснштипнье свойства разряда в нолноводном
тракте представляют интерес постольку, поскольку они
явлнютсн нс только характеристикой самого разряда,
но и влияют на параметры всей вол повод ной системы.
Предполагая, что разряд в волноводе" представляет
собой короткое замыкание, раньше считали, что электри-
электрическая прочность волнеполного тракта при пробое
уменьшалась за счет возросших отражений от разряда.
Ввиду важности этого вопроса было проведено иссле-
исследование величины отражений от разряда в процессе его
развития. Для этой цели использовались элементы двух
типов, в виде секции волновода стандартного сечения,
в котором устанавливалась сосредоточенная неоднород-
неоднородность, и в виде отрезка регулярного волновода умень-
уменьшенного сечения. Для локгтнзаинн разряда секции были
герметизированы, что позволяло изменить при экспери-
экспериментах давление и вид газа, заполняющего волновод.
На рис. 2 10 представлены типичные характеристики
передачи (величины максимального коэффициента отра-
отражения Катр, коэффициента передачи Кшр и коэффи-
фициента стоячей волны по напряжению К„с) для раз-
разряда в воздухе и в аргоне. Параметры приводятся в эа-
вующей различным стадиям разряда. Эти стадии раз-
60
внвающегося разряда обозначены на рис. 2.10,а I—на-
I—начальная стадия — искровой неустаповняшийся (песамо-
поддерживикицнйся) разряд, II — искровой установив-
установившийся (самоподдерживающийся) разряд В обоих слу-
случаях разряд представляет собой местный разряд на не-
неоднородности. Наконец, III стадия— завершенный дуго-
0,8
0.B
0,9
0,2
'rep
1
1'
*
О га W 60 Рпв.,кВт W 60 BO WO ПО >Wljln,.r»r
U,|A|T Д I. i J. ж щ\жш
I P-760MM pmem ftflttiftkl) 2 р=11Чвмн рт.ст. fc51WfnnJ
В Ввздуг
Рис. 2 10. Пираметры передачи разряда в раэл
- — - в н i-naMwicHTij огР1жгн>
вой разряд и пробой регу!ярного волновода. На
рис. 2.10.6, в указанные стадии разряда отмечены соот-
Реэультаты измерений показали (например, I на
рис. 2.10,в), что возникновение разряда (стадия I) не
сопровождается появлением сколь-нибудь заметных от-
отражений (К„тр1=0). Коэффициент передачи при этом
(Kaepi) близок к единице, и потери за счет поглощений
о разряде отсутств>ют. Затем, по мере увеличении па-
падающей мощности и обусловленного этим роста интен-
интенсивности разряда (стадия II), па блюда ется возрастание
отражений. Это сопровождается одновременным сниже-
снижением коэффициента передачи, который уменьшается на
соответствующую ветчину. Потери за счет поглощения
в разряде отсутствуют. Этой стадии соответствует мак-
максимальный коэффициент отражения, достигающий при
нормальном давлении воздуха величины порядка /СОтР=
= 0,4 (Ясте/^5). По достижении некоторого значения
мощности Рвв (см. § 2.2) происходит дуговой пробой
регулярного волновода (стадия Ш), что сопровождает-
сопровождается резким падением отражений (в рассматриваемом
случае до величины порядка /СОтрш=0т15). Переход
к стадии Ш сопровождается резким возрастанием по-
потерь (/Спои), которые вызваны поглощением в дуге [6].
Аналогичная картина наблюдалась и при других
условиях. Так, на рис. 2.10.6 B) представлены резуль-
результаты эксперимента при давлении 1,5-10s Па. Здесь также
имеют место незначительные отражения в начальной
стадии разряда (/СОт|И~0), затем при увеличении ин-
интенсивности разряда отражения возрастают ДО Котрп=
=0,55 перед пробоем регулярного волновода и резко
уменьшаются до величины Лотрш^0,05 при пробое
волновода с одновременным возрастанием потерь из-за
поглощения и дуге. Различия в абсолютные значениях
аналогичных величин Лот*. Квот по сравнению с при-
приведенными на рис. 2.10,6 (/) определяются давлением
и обусловленными этими особенностями разряда.
Подобная картина является типичной и наблюдалась
для разряда как на сосредоточенных нюднородпостях.
так и в регулярном волноводе d интервале давлений
dt 1,01 -I05 до 2-10s Па для воздуха и доЗ,Ы06Па для
аргона. На рис. 2.10,в сказанное выше проиллюстриро-
проиллюстрировано в виде аналогичных зависимостей для разряда
в аргоне. Картина происходящих явлений сохраняла
62
описанную последовательность н подобие. Абсолютная
величина наибольшего (Яотрп) н наименьшего (Котртп)
коэффициентов отражения зависела от давления и вид*
газа, заполняющего волновод. Для воздуха упомянутые
величины /Сотр оставались в пределах 0,4... 0,55 и
0.05... 0,15 соответственно. Интенсивное поглощение
СВЧ энергии дуговым разрядом в волноводе может до-
достигать (в воздухе при определенных условиях)
60...80% от мощности падай
Подоб
ы были
б
ты были попчены другими авторами в ана-
х. В работе [50]. целью которой было иссле-
исследование электрической прочности щелевой антенны лри давления*
@,6 ... 80J-10* Па, измерения коэффициента отражения при пробое
яали величину Кот,,=ЩО.
При исследовании влектричеосоЯ прочности в режиме негфе»ыв-
ньп колебании \Щ были обнаружены изменения отражений и по-
потерь в разряде п зависимости от уровни мощности и другш фягто-
ров При нрооое иолноводэ коэффициент поглои^ния лостнгзл ве-
лнчниы Л„„гЛ=0.75 при КСтр-0ДЧ. Аитор JM1 полагал, что вьяв-
чнна коэффициента отражения определяется давлением и Гемпера-
турой внутри волновода, а также уровнем мощности н размерен
Можно согласиться с утверждением автора о
ляющеЯ ролн уровпн кошногп! и размеров волнонолл формально и
не отражает evmcena нвттсипч. В дёисгвнтельности. величина отрв-
HteiTHH (и поглощения) эавнелт только от ннда н характера разрнла,
а заблуждение автора J84] объясняется тем. что измерение отр«-
иедай он проводил, не учитывая характер разряда.
Анализ полученных результатов позволяет сделать
следующие выводы:
— существование разряда сопровождается появле-
появлением отражений и потерь, изменяющихся в зависимости
от вида разряда;
— отражения п начальной стадии развития разряда
имеют пренебрежимо малую величину, затем в стадии И
отражения возрастают и достигают максимальных вели-
величин перед пробоем волновода (соответствующих экви-
эквивалентному уве-шчению мощности в пучности до уровней
f 2.7... 3.0)/Vm при нормальном давлении воздуха). За-
Завершение развития разряда и переход его в конечную
стадию—дуговой пробой регулярного волновода —
вновь сопровождается уменьшением отражений от раз-
разряда ло очень малых величин (п указанных условиях
до величин ftTp=0.05..-0,l5, соответствующих ЯСтР=
= 1.55.. .2,25). Эта же стадия разряда сопровождается
резким возрастанием потерь в разряде (до величин.
соответствующих /Сн,Гл=0,6 --¦ 0.8);
— величины параметров передачи и характер их из-
изменений определяются характером разряда; существен-
существенными факторами явчяются также давление и вид газа,
заполняющего волновод;
— пробой волновода в нормальных условиях почти
никогда не приводит к полному отражению, т. е к" ко-
короткому замыканию тракта. Окончательно сформировав
шнйся разряд в своей завершенной стадии сопровож
дастся значительным поглощением; именно это обстоя-
обстоятельство приводит к Тпму, что СВЧ энергия не
распространяется к нагрузке.
2.5. «Бегущий» разряд в волноводе. Пробой тракта
¦При работе систем высокого уровня мощности наи-
наибольшую опасность представляет апарийный режим,
который характеризуется пробоями в полноводном трак-
тракте Однако практика показывает, что выход из строя
систем определяется не разрушением элемента, который
оказался наименее прочным' Аварийная ситуация, как
правило, -приводит к выходу из строя магнетрона неза-
независимо от того, где и в каком элементе тракта начался
пробой.
Опыт однозначно подтверждал картину происходя-
происходящих событий, которые развивались в следующей после-
последовательности. По достижении при некоторых обстоя-
обстоятельствах в каком-либо из элементов тракта критиче-
критического значения напряженности электрического поля,
превышающего претельно допустимую величину Ещ,,
в элементе происходит пробой Такими обстоятельствами
могут явиться мгновенное превышение мощности гене-
генератора, появление отражений в линии, понижение дав-
давлении в тракте и т. п. Этот пробой, как правило, завер-
завершается пробоем магнетрона Подобное явление наблю-
наблюдается в любом диапазоне частот.
Объяснение этого явления, которое дал. На г I [37| и другие выло
следующим При повышении мощности не вычеркивал наиболее
слабый элругнг тракта — он пробивался Пробой полноводного эле-
в результате чего в части тракта замкнутой накоротко, коэффнцв-
=™1. а напряженность — максимального (в n'viHoCTH стоячей волны)
значения e*.*.i*e=2?b (где ?д — напряженность, соответствующая
эщностн п режиме бегущей волны). Эклнвалс
до значении 4Р„. Это, и
\ разряд переме
Типе овъясн ние практически подтверждалось лишь тем фак-
фактом, что пробои, возникший в люЛом месте тракта. действительно
в конце концов оказывался у ыагкетрояа г выводил его из строя.
Однако при более пристальной рассмотрении приведенное выше
разряд, возникнув в иаком-то мосте и по кяноя-то причине, и про-
процессе своего существования н рвзннтия н
Гсамоч елвбоч) месте тракта Напротив, р
нетрону, км было установлено, даже в то: ...
if местом* пробоя не било вообще каких-либо слабых мест, напрн-
чер. "при нилкчив только регулярного волновода Затеи пробой трак-
тл иногда происходил на столъ налы.* \ро«нях мощности, которые
предельны» для регулярного волновода Таким обрааом. природа
происходящего не может быть объяснена отражением от разряда.
¦" другой сторопы. чено, что пробой позьгпвола носил элвненчын
торнчнии иврЕктср. так как ги-зусювио возникал nocie появлении
черничного пробоя
Л ля исследования это явление было имитировано
и лабораторных устопнях. Был собран макет тракта на
волноводам статиртного сечения B3X10 мм), пробив-
пробивная мощность которого порячка 1,0 МВт. С помощью
неотражающего волнободного электрода в определенном
«осте тракта было создано электрически слабое место
прочностью порядка 50 кВт [80].
Наблюдения показали, что с повышением мощности
ю уровня пробивной для этого электрода (в данном
случае 50 кБг) на ней возникает местный разряд
(рис. 2.10,с). При дальнейшем повышении мощности
картина происходящего соответствует описанной ранее
(§ 2.2), н по достижении некоторого уровня мощности
разряд переходит и завершенный дуговой пробой при-
элсктродиой части регулярного волновода. Интересно,
что пробой регулярного волновода может происходить
при уровнях, на порядок меньших пробивного значения
мощности этого волновода в нормальных условиях.
В приведенном примере регулярный волновод сечениеы
2.4X10 мм пробивался при мпщности порядка 0,1 МВт
Почти сразу после появления в области электрода
первого дугового пробоя он практически мгновенно
перекидывается на последующие участки регулярного
волновода в сторону магнетрона (рис. 2.10,«), а преды-
предыдущий пробой исчезает. Таг
5-145
вторяется, so тех пор, пока пробой не
у магнетрона и не выжжет окно магнетрона.
Аналогичные эксперименты проводились и с волно-
волноводами других сечений — картина была подобной.
Говоря о физической природе этого явления, наибо-
наиболее вероятным представляется предположение того, что
каждый возникший в волноводе разряд является как бы
инициатором для последующего в качестве источника
ионизирующего излучения Такое излучение повышает
концентрацию электронов в области, прилежащей к раз-
разряду, чем способствует возникновению нового разряда.
при пробое волновода своеобразного плазмоида — иони-
ионизированного облака (см рис. 2.10,а и 2.11). Этот плаз-
монд по мере возрастания мощности увеличивается
в размерах, вытягнгпчеъ в сторону теператора СВЧ
(рис. 2 11). Каждый из вновь возникших разрядов
играет точно такую же р&ль для последующего. Таким
образом, цепочка последовательных пробоев развивает-
развивается лавин ко. Разумеется, что ионизирующее излучение от
разряда должно распространяться равномерно во все
стороны, но поскольку поглощение в разряде существен-
существенно ослабляет величину проходящей мощности, то пробои
и движение разряда могут иметь место только в одну
сторону — к генератору.
Таким образом, общая схема пробоя полноводною
тракта определяется особой формой СВЧ разряда—
«бегущим» разрядом. Таков разряд, возникнув
в области электрически слабого места, самопроизвольно
перемещается к источнику энергии (рис. 2.11,6).
Действительная причина динамических свойств про-
пробоя волноводного тракта — в ионизирующем воздейст-
воздействии раэряда-нннциатора. Такой разряд-инициатор, будь
это даже слабый разряд на фланце или в каком-либо
элементе, создавая местное увеличение концентрации
заряженных частиц, резко снижает электрическую лроч-
кость регулярного волновода и может привести к его
пробою. Последующее «движение» разряда объясняется
щнх «бегущих* разрядов.
Однако дальнейшие эксперименты показали, что воз-
возбуждение разряда в волноводе может происходить, по-
лервый взгляд. Оказалось, что разряд способен в неко-
некоторых условиях «проходить» сквозь такие препятствия,
как диэлектрические прокладки, даже не разрушая нх.
Разряд «проходил» через слюдяные, тефлоновыс и квар-
кварцевые прокладки различной толщины. В определенных
условиях разряд может «пройти» прокладку, вообще не
задерживаясь у нес. На рис. 2.12 изображен пакет из
четырех слюдяных прокладок толщиной по 0,04 мы ка«-
Лая, через который «прошел» разряд, остановившись на
несколько секунд и разрушив только две из них —а и б,
две другие (в и г) оставив невредимыми. Возможные
вариации поведения разряда определяются в первую
очередь характером разряда, точнее, степепью его ин-
интенсивности и давлениями по обе стороны от диэлек-
диэлектрический прокладки.
Разнообразие условий возникновения «бегущеги» раз-
разряда заставляет предполагать и разнообразие причин,
вызывающих необходимую для этого мощную иониза-
ионизацию. Возможно, что в упомянутых случаях интенсивная
ионизация происходит под влиянием различных причин,
например: ионизирующие и ультрафиолетовые излуче-
излучения ', высокая температура разряда и другие активные
процессы [139, 140].
само «движении разряда по волноводу. Для заданной
частоты и размеров волновода скорость «движения»
разряда зависит от уровня мощности, вида raja и дав-
давления и других факторов [84J- Скорость перемещения
разряда но волноводу была измерена в 3-см диапазоне
длин волн на макете тракта (рнс. 2.13,а). На конце
тракта длиной Более 3 м имелись электрически ослаб-
ослабленное место 1. В тракте на пути движения разряда
размещались специальные волневодные секции 2 и 4
с _фоточуверительными элементами 3 и 5, реагирую-
реагирующими на проходящий разряд. Фоюдатчикн V подклю-
подключались к электронному регистрирующему устройству 7,
которое позволяло фиксировать время прохождения
пробоя вдоль участка заданной длины. На рисунке обо-
обозначены также нагрузка б и электронный осцилло-
графв.
духом при нормальном давлении, представлены вг
рнс. 2.13,6. Скорость движения разряда определяете!
в основном его интенсивностью, для разрядов более
интенсивных скорость больше. В данных условиях мак-
максимальная скорость «движения» пробоя вдоль волново-
волновода 2 м/с.
¦ Tlxtwo Tamuro. lonizating radiation ol pulsed discharge ii
hydrogen —«Japan. Journ. Appl. Phys», 1963, v. 2. M 8, p. 492-
499. Penny V. lonization oi gas by radiation from a discharge _
**_^. - ж-,__. mj.it .. <i mr. ¦ _ чм ice
m—ш—m
«—t?E
i
1
-и-
/*" 1 "Г
Bonrni
з'р
lie. Electron ». 1963. v. 8. Nt 1. p. 365-368.
с фотодатчикон <*)-
Для выяснения способности «бегущего» разряда про-
хочнть элементы тракта на пути разряда устанавливали
различные элементы' ответвители, вращающиеся сочле-
сочленения, ферритовыс устройства и др. Разряд беспрепят-
беспрепятственно проходил через все элементы к генератору,
а задерживался только такими, как герметизирующие
перегородки. Скорость разряда достаточно велика, и на
69
элементах не оставалось следов разрушений. След от
движения разряда по волноводу был только иа широких
стенках волновода в виде потемнении серебряного по-
покрытия. Герметизирующие элементы разряд, как пра-
правило, разрушал полностью или частично.
Я ПРОЧНОСТЬ ТИПОВЫХ СВЧ УСТРОЙСТВ
Разработка сложных устройств высок
мощности требует большого оОъеыа натурно ... „,,.
предварительной оценки электрической про
*ро-
мстра. Использование подобных данных по разработан-
разработанным устройствам в качестве типовых в известкой сте-
степени облегчит задачу разработки,
В настоящей главе приводятся, результаты экспери-
экспериментального исследования электрической прочности
большого числа полноводных, коаксиальных и полоско-
вых элементов. Цель исследования заключалась не
тольки в определении прочностных характеристик рас-
рассмотренных устройств, т. с. определении величины про-
пробивной мощности и электрически слабого узла. Задача
заключалась также в исследовании характера и вы-
выявлен пи закономерностей пробоя сложных СВЧ уст-
устройств и отыскании общего критерия их электрической
Можно полагать, что электрическая прочность
устройства определяется двумя основными факторами.
Do-псрвых, сверчвысокочастотными свойствами устрой-
устройства, т. с типовым электродинамическим характером
данной СВЧ структуры н его параметрами. Во-вторых,
конструктивными особенностями устройства, т с. типо-
типовыми признаками данной конструктивной модификации
По-видимому, указанные факторы прежде всего и долж-
должны быть приняты во внимание при анализе электриче-
электрической прочности устройства. Слабая частотная зависи-
зависимость пробивной напряженности допускает группирова-
группирование устройств по назначению и конструкции, относя
к одному типу устройства различных частотных диапа-
диапазонов.
70
ЫИЯ. Из устраВсТВ С ДНЭ-1СКТр|ТЧеСК1№
ыетмэнрукщие смани, фамвращател!
рнтовые устройств я др
иод к выбору оБъекто! ве-
iH f переходы межпу ннин.
е устройства, направленные
m н вращающиеся сочлене-
гующега вксперныентвльные реэуль
мальном давлении определялась нет
с помощью аппрокспЬ1нр\гюшего выраж*
торые p
льном наблю-
,твты обрабатывались
в PuPtp). аппрсксиыи-
личхна А,Р при яор-
В разделе приводятся результаты эксперименталь-
экспериментального исследования, основные размеры и параметры
\стройств, а также расчетные зависимости, аппроксими-
аппроксимирующие экспериментальные 1анные. На. рис 3.1—3 3
для примера представлены результаты для некоторых
исследованных устройств (точки — экспериментальные
данные, прямые— соответствующие аппроксимации).
Регулярные волноводы и элементарные волноводные
неоднородности
кенпйя секция регулярного волновода (/ на
): сечение 23X1.0мм. Лст1,=1.03, Рщ^ЮОкВт,
пробой возникает по центру в начале суженной частн
волновода. Выражение Pr,v=Bph, аппроксимирующее
экспериментальную зависимость, имеет вид
РПр=0,31 ¦ 10-s рзП {кВт). C.1)
е электроды полусферической конфи-
конфигурации B. 3. 4 на рнс. З-1/i): сечении волноводов:
7,2X3,4; 23X10 и 90X15 мм; радиусы полусфер элек-
электродов: r,=Q& #-3=2,5 н г4=4,0 мм, J?nir*»l.l. соот-
соответственно РЕр=25. 124 и 500 кВт, пробоя возникает
на вершине электрода между электродом и противопо-
противоположной широкой стенкой волновода. Выражение Рщ,=
71
ри
1. Су
3 I
=Врь, аппроксимирующее :
ыость, имеет вид -
сперим
3 Во
сков кп
размеры
/>,p-=0,08-l0-ys [кВт] для S. C.2)
Ле=0.4-Ю-У'а [кВт] для 3, C.3)
РЧ1=1.5-10-У'5 [кВт] для 4. C.4)
юводные электроды цилиндрнческпЛ к конние-
фигурацни- сечение волновода 23Х10 мм,
аектродос: зонд —Л—3,0 и г=1,5 мм; ко-
Рис. 3.1. Зависимость npDFipniioft мощности от динлелия для рс
ных линий н эл<деатарных пгпднородностей ta) и простых 9.
тов (б); ^юлои после пробоя (в)
72
нус—Л=5 мы н угод При вершине 0=20*. Hciu^iM.
соответственно /5up=74 u 13 кВт, пробои возникает ана-
аналогично п. 2; Выражение Рч,=Вр3*, аппроксимирующее
экспериментальную зависимость для 5 на рис. 3.1,A,
Р„=0,04-!0 -'/« 1"Вт1- C.5)
На рис 3.1 обозначена: / — суженная секция A=3 см);
2; 3; 4—полусферический электрод (Я=0.8; 3; 10 сы);
5—конусный электрод (i=3 см); б —уголок Е плоскос-
плоскости (Л=3 см); 7 ~ трансформатор волны Н^'-гТ (Я =
= 10 см), 8 — трансформатор сопротивления (Л-=10 см);
9 —трансформатор волны Н~'-~Н\, (Я = 0.8 см).
Переходные еолноводные устройства (табл 5, Б).
Гибридные соединения (табл. 7)
Исследовался двойной тройник, настраиваемый ин-
индуктивными штырями в ?-плсчс и в двойном //-волно-
//-волноводе и иснастраиваемый двойной тройник, согласование
которого обеспечивается конфигурацией области сочле-
сочленения плеч и скруглением ?-плеча радиусом 4 мм. У ще-
лсвых мостов (Л-щоскостных, нснастранваемыл) согла-
согласование обеспечивается емкостными элементами в обла-
Направленные ответвители (табл. 8. 9)
Направленные ответвите л и со связью по широкой
стенке рассматривались двух типов: на взаимно перпен-
перпендикулярных и взаимно параллельных волноводах. Связь
осуществляется с помощью одного иди группы отверстий
различной конфигурации. В табл. 8 помимо параметров
(переходного затухания С. направленности D) указан
вид элемента связи; при связи группой круглых отвер-
отверстий указывается диаметр максимального отверстия.
Согласование ответвитетей не хуже Ke,i/=l,04.
Направленные ответвители со связью по узкой стен-
стенке (табл. У) на взаимно параллельных волноводах;
1 Далее bdhjk однотипности полученных аппроксимирующих
выражений вили />„р=Вр>/' в соотвегствукици:! нестих главы Булем
лишь уточнять характер здвнс.шостн ы приводить значение коэф-
фицкепп В [кВт/Па^.
Переходные трансформирующие gtmpcUcmea
Налжимлт устревстм
Трансформаторы волново-
волнового сопротивления ступенча-
ступенчатые четмртвяолковые:
одноступен атый (скруг-
лсние гс=0.3 ни)
двухступенчатый [ с круг-
круглыше гс=-0,5 им)
трепету пей чв гай (скруг-
Трансформатор полярим-
dhh (скрутка)
Транорорматор во. ны
Н^ -ТО вояноводно-ко-
Трапсфорнатор волны
Н^ -» Н'„ валювошый
типа Марье)
1-ГО
23X10
их in
90Х1Ч
23X10
90Х«
7,2X3,4
з-га
28,5Х'г,6
2В,БХ'5,6
90Х+5
23ХЮ
Л = 14
d-6
1,05
1,05
1.08
1.05
1.1
1,1
600
GW1
1600
380
3400
80
Р-
0.65
0,Е5
0,27
0,4
0,10
0.1S
5
(8 иа рнс.
3.1, б)
I0.S
(~ in рнс,
¦i.[,6)
0,20
(.V иа рис,
3.1. (?)
О&ипъпрсЛм
Середни» широко»
стгаки по сту-
ступеньке к большему
Середина широко*
стенки волновод*
Область связи
Углопм выступ»
в области преоб-
преобразования
рировакны* соответстьуюшнми гртфшвни рнс. 3.1
В [кВт/Па3/!] приводятся только яля примеров, яллюст-
i ч ц щ
М \ Щ
It!1 II
i
111
т
5 'а 32 s -
в«в»?
Та«я,
ю широкой cm,
Продолжена* табя- 9
а.„,„„
Направленные ответвнтелн
Два отверстия типа .крест*
Одноотьерегие типа .крест"
Дв» отверстия тгшя .крест"
Отверстие d=9 ми
d — 29 ин
d = 7,5 им
d — 5 ым
НаПравлгныые отнетвнтсл
Два ряда по 20 отверстий
d = 2,nHM
Рад нэ 16 отверстий
if» 2,0 ми
Дн| ряда по 4 отвёрегна
A = 2.5 мм
Ряд нэ 4 отверстий
4—12.6 ым
1 *ЫИ?№Л|1О-
на взаимно и
23ХЮ
2JX10"
23X10
2JX10
80X45*
2S.SX12.6
28.SX12.6
ээ.ях12.е
пя взаимно
7.2X3.4
7.2X3.4»
2R.1XI2.C
ГЯХ45
рлендтацлнрпыч вол
10
20
22
29
30
30
33
43
паралл
10
20
30
50
25
16
15
22
12
15
20
15
10
30
30
30
го
110
19П
220
300
170
3700
640
7S0
щиодал
0,12
Г
8
0
п
126
33
165
21
45
0,52
волноводах
90
100
Г00
№00
0,41
0.45
0.41
0.22
облает» сшгэи
2 Результаты экспериментального
отмеченных», представлены на рис. а 2. п. Ai
антелен пробои возникает в
кдешалня nroOTuineicfl,
.штрогеннирующяя эявч-
|алоп1чна C 5), а конф-
о 11.5-10-» и II 31 10-' кВг Па9'8.
*яя на 22 отверстий
d=8.SMn
Ряд из 16 отверстнВ
d=i,e,»u
d = i.2uu
Р-д^^тверстий
Pantp нлио-
возя. кн
28.5X12.6*
7,2X3.4*
23X10
10
20
35
22
40
15
15
30
¦сВг
700
|Г1<1
650
0.4S
0.48
0.60
Ряд яз 3 отверстия
^<t = 10KH
[1ва отверстия
Ряд ва 3 отверстий
d = 7,4iiu
^зТвим
PssMrp аояпо-
2R .5X12.6
23X10
2B.5XI2.6
2В.5Х12.6
с»
^23
2S
30
60
п.л»
23
18
20
20
25
0
"X
900
600
700
950
'""Р
0,63
..в
0,48
0,66
У всеч о I' ьствят?псн Xipooou i
...^.ч _ _ отвегвителеВ,
. . n_^BpRC.3.2.fJ.
3. AimpOKCHMnpviomam зависимость пробивной мощности от д|в-
-е«ян аналогична C 5), а коэффициент В равен соответственао
2.15-10-» н 0.31.10-' кВт/Па3'3
связь — с помощью одного или группы круглых отвер-
отверстий. Согласование стветвителей не хуже /Сгто—liW-
На рис. 3 2 обозначено: / — двойной тройник (Ji=
=3 см), 2—щелевой мост (?.=3 са); 3; 4 — ответви-
тели по широкой стенке (Х=0,8; 10 см); 5; 6—ответ-
внтелн по узкой стенке (*=3; 0.S см); 7; В—вращаю-
В—вращающиеся сочленения (Х=3 см).
Вращающиеся с
чения (табл. 10)
Вращающиеся сочленения волнованного типа осно-
основаны на использовании в качестве рабочей волны Е°ои
а сочленения волноводно-коаксиального типа — вол-
волны Г©. Для фильтрации паразитной волны Н°„ при-
применялись либо резонансные кольца, либо коротко-
замкнутые торцевые шлейфы Согласование устройств
обеспечивалось с помощью инлуктнвныл штырей в пря-
прямоугольном и с помощью емкостных диафрагм в круг-
круглом волноводах B, 3, 4 на рис. 3 2,6).
Болповодно-коаксиалышс сочленения с зондовым н
«пуговичным» (или конусным) возбудителями имеют
параллельные выходные волноводы, сочленения с петле-
ёыы возбудителем— вЭаиыьо Перпендикулярные выхоД-
кые волноводы. Соответствующие данные приведены
в табл. 10.
ращающиеся стлекешл
Рис. 3.2. Зависимость лробнапой мощностн от давления для тнбркд-
ны< соединений (о); направленных ответвителей-" враш*юшихся соч-
сочленений (б); лвойной тройинк пом* пробоя (в).
я полноводного типа
2В 5X12 в«1о=.29| 1.1
7:2X3.4 Ь = 7.Ч I.»
0,185] Сйчлене-
„,. „р«-
350 0.24 вого вод-
15...201 0,1 повода с
воавудвтелеи
С .пуговичный"
возбудителей
Тоже
С петлевым
хя ссчдеяен
28.БХ12.6
28.SX12.6
72X34
28.5X12,6
кя волпе
О—13;
d=16
D=13:
d~6j6
(водно-)
1,1
1.2
1.2
1.1
ковксиал
300
300
1000
250
ЬНОГО
0.2
0.2
0,1
0,17
Эоцаовы«
воаВудн-
Кмкся-
Пр^виечаьря. 1. Результаты вмпернмеитвльного вдел
устройств, отысченнщ*. представлены на рис. 3.2. б.
2. Аппроксимирующая зависимость аяалогмчва C.5), а
цмят В, равен соответственно 0.55-10"' л 1.1-10-* шВт/Ги .
Переключатели волноеодные механические (табл. II)
Переключатели «барабанного» типа на два направ-
направления—с радиальным изгибом в //-плоскости; электри-
электрический контакт подвижного сочленения осуществляется
дроссельным фланцевым соединением.
ЛабвнйЛ 11
ПереилкНатели меканаискаг
TmrcipofclB.
То*е
To же
Переключатели:
с поглотителем
Коммутирующее зл>-
тнвныЬ штырь"
гзхш
2Н.БХ12.С-
!»Х*5
23X10"
23ХЮ
90Х«
I.CS
1.07
1.06
1.1
1.0В
V
Ы.Ю
всю
55U0
70
250
2500
'"ир
0.65
0,55
0,3
0.07
0.27
0.14
Дроссель вое
Вершил*
штыря bjki-
.открыто"
Реэультаты^жшерименгальюго исследования
наы**, представленьуа рис 33 в
рания. 1. Реэультаты^жшерименгальюго исследования
Гервмючателей, чтнеченаы**, представленьуа рис. 3.3. в-
t« !. Аппроксимирующая зависимость вроСшзно ^ишноств от дав-
левм аналогична C.5), в коэффициент В равен соответственно
2510» 00 П3/а
н (), в ко
2,5-10-»; 0,2-10-» кВг,Па3/а.
Переключатели с подвижными заслонками на два
рующими вращающимися заслонками. Электрический
контакт открытого сочленения осуществлнется дроссель-
дроссельным фланцевым соединением- Для устранения реэонанс-
ныд явлений за счет излучении нэ открытого сочленения
внутри корпуса одного переключателя устанавливался
поглощающий материал.
Коммутирующий элемент типа «индуктивный
штырь»—диаметром 30 мм вводился по центру широ-
широлновода в специальных дроссельных пазах,
«открыто* соответствовало
их с
Согл
К
На рис. 3.3 обозначено: / — переключатель «барабан*
ноге» типа (Я=3 см); 2 — коныутаторезаслонкой (>,=*
=3 см); 3—диэлектрический фазовращатель (/=3см),
4; 5—герметизирующая секция (Х=3; 10 см); 6; 7—
эквивалент антенны (Ti^lO см); 8 — феррнтовыЙ вен-
вентиль (%= 10 см); 9 — ферритовый фазовращатель
(>.=0.8 см).
Устройства с диэлектриком (табл. 12)
Фазовращатели диэлектрические переменные 180°-ные
с фторопластовой пластиной в качестве фазосдвигаю-
щего элемента. Пластина укрепляется на трех несущих
металлических стержнях, из которых два крайних мень-
меньшего диаметра (rf™4). Согласование фазовращателя со-
соответствует JCrTU^I.l-
Герметизирующие секции, основанные на использо-
использовании диэлектрической пластины в стандартном или
специальном дроссельном соединении. Углы волновода,
примыкающие к пластине, скруглялись радиусом. Иссле-
Исследовалась также конструкция герметизирующей секции
¦баночного» типа.
Данные приведены в табл. 12.
6—145 Ы
ТЯ1И^_
Фаэоеращааили
Пластина ю фтора-
пласта, стержни:
dM = 1,4 ни
Герметизирующие
секции
1мм; дроссель стан-
стандартный; скругление:
ге= 1 ни
Прокладка из слюды
толщиной 0.1 ни;
цюссель стандартным;
Прокгаиа И фторо-
фторопласта толщиной I мы;
дроссель слеанадьныВ;
Прокладка га кера-
[секцня .баночного.
тройопы €
23X12.6*
90Х«*
90Х«
23X10
28,5X12,6
28.5X12.6
диэлектрики
«™
1.1
1.1
1.08
1.08
1.08
1,0В
1.1
¦Вт
160
3800
4300
7000
450
600
800
450
"л,
0.14
0.22
0.25
0.4
0.46
0.4
0.55
0,31
Несущ*
днмитри-
кладки
Углл
Согласующие устройства (табл. 13)
В табл. 13 и на рнс. 3.3,6 представлены результаты
^следования ферритоаых развязывающих устройств и
оконечных поглощающих нагрузок.
Согласующие устройств
Феррипювые
устройства
Веятнль р«аонанс-
ый:
С пластХГв1''1'0''0
пластины
НевэаинныВ фою-
Нагрузки яогяо-
При температуре
гглотнтелн (ц, *С
20
ПО
?50
20
90X45-
90X45
5.5X3,4-
28,5X12.6
28,5X12.6
90X45*
90X45-
"&
1600
3000
to
800
БСО
2600
4200
0,09
0,17
0.S7
0.65
0.40
0.15
0,245
Между протнво-
Меаду ирогнво-
положныин феррк-
Между феррито-
широинын стенка-
повериносги ферри-
тового э^еиента
Область стына
торпа шл-иггктсдя
с волновод™; по-
.»остьР,»(Й.и
№-¦ кВт/Па3'2.
.™»ч:
2. Соответствующие значения коффиоиента В равны: 5-10-'-
.>¦ 10-"; 7.8-10-" и 13-10-» Лт/Па*3.
jHTjftiefi резона m
В первом из двух нсслсдова!
ного типа с повышенной развязкой исполЬзова
ный феррнто-днэлектрическнй элемент (см.Я на рис. 3.3).
В качестве диэлектрического материала применялась
керамика. Второй вентиль диэлектрический элемент не
Нееззнмныс 90°-иьге фазовращатели являются фер-
ритовыыи узлами четырехплечных циркуляторов. Со-
Согласование всех устройств соответствует Ка v^ 1.1-
Поглошающие нагрузки представляют собой так
щающим элементом нз керамики Гаэтнчные конструк-
конструктивные варианты систем охлаждения обеспечивают раз-
разные температуры попотнтеля AП). Corj
устройств соответствует Кеть<1,08
3.2. Результаты экспериментального исследования
электрической прочности коаксиальных и гтолосковыя
устройств
Были псслечованы регулярные коаксиальные r по-
лоскоиые линии в виде суженных секций, сосредоточен-
сосредоточенные неоднородности в виде опорных диэлектрических
шайб и некоторые типовые >стройства Ниже приводятся
основные размеры и параметры, экспериментальные ре-
результаты, а также соответствующие аппроксимирующие
зависимости Рщ,{р) (рис. 3.4). На рисунке обозначено:
/, 2—коаксиальная линия; 3 —полосковая линия; 4 и
5—диэлектрические шайбы (прямая 4 н «фигур-
«фигурная»—5), 6"—коаксиальное вращающееся сочленение;
7—коаксиальный «ще1евой> ответвитель; 8—коакси-
8—коаксиальный ферритовый вентиль; 9—полосковый «ротор-
«роторный» переключатель; 10 — полосковый ферритовый вен-
вентиль Исследования проводились в диапазоне }.=
=30.. 40см.
Регулярные линии и элементарные неоднородности
(табл. 14)
Диэлектрические кос
Опорная:
пряная
0>гурван
30
ао
26
20
¦ялр.
12
12.5
12
12.Б
"
34
34
30
30
чхаальнш
1000
1400
700
1000
о'ер-
0 33
0,475
3,15
4,4
-
1. К«
ми 16/
соглас!
ии {/, 2 на рис. 3.4.0) с разыерв-
волновое сопротивление 72 Ок;
» 1/=1,05. Пробивные мощности
Примечания: 1. Аппроксимирующая зависимость Р^^р) для
элементов, помечепных*. япалогпчна C.5).
2. Пробой во всех случаях возникает в виде поверхностного пе-
реярытн*.
Рцр=470 л 310 кВт1, пробой возникает у внутреннего
проводника. Аппроксимирующие зависимости вида
РМР**); B^l.4-10-6 и 1,0-10^ соответственно.
¦ Получеялые величины хорошо согласуются с расчетом [30].
2. Полоековые линии с воздушным заполнением
размерами: 1) 5=7, ai=5, /-1 мм; 2) s=9. m=4.
—~ ™„,, (
72 Он; cor;
бЯВНЫе МОШности rnp=z
на ребрах внутреннего п
рис. 3.4,а); волновое сопротивление
екцнй не хуже КСтг/=1,05. Про-
^200 и 240 кВт, пробой возникает
оявные мощности j-np=zuu н ии кит, прооой возникает
на ребрах внутреннего проводника Аппроксимирующая
зависимость для случая 2) вида Лф (/>•*); В=0,75-10-*
3. Диэлектрические шайбы двух типов: с прямой н
фигурной проточкой (рис 3.4л). Исследовались две
конструктивные модификации шайб каждого типа:
ICDIIUinUlID ДЛГ
3. Днэлектрг
фигурной протч,-..™. ,н.«. „.-.
конструктивные модификации шайб каждого типа:
«утопленные» н опорные [30]. Материал шайб — фторо-
согласованне соответствует Лет и<; 1.03. Прочие
гредставлены в табл. 14.
Коаксиальные и полоековые устройства (табл. 15, 16)
В табл. 15 приведены результаты исследования: ко-
коаксиального вращающегося однокапалыюго сочленения
с емкостным соединением проводников E на рис. 3.4,6);
Коаксиальные устройства
Вращающееся
лотовый'
Отнетттвяъ
.пелевоВ"
Вевтнль резо-
шнсныВ
30 '9*
164. В
30,6*
30/9*
1.08
1,25
1,15
1.25
лГ
300
150
800
260
0,18
0.3
0.5
0.15
В. «Вт/Пм3'3
0.95.I0-*
Е.5-Ю-»
0,8-10-»
рамиьпрейм
¦str
О&исгь
Между ввут
реинии про-
феррнюдн-
влентрнче-
ctEui эленен-
17олоскиы? устройства
тшгярл™
Направленны!
с настроечными
стержняин
Переключатель
«роторныВ-*
Кольцевой мест
S
IB
16
32
8
30
_
8
Б
е
2
27
(
3.2
3.2
3
0,1
3
1.2
1.2
1.25
1.2
4
130
70
500
25
366
j,
0.29
П. 16
0.5
0,15
0.40
Л
Hi
-
1.55
-
1.2
Углы полоска
Между Kpomol
штырями
оереюдмт в
.перекрнтие-
(рис. 3.7)
KpDUKS ПОЛОСЫ
яереяодит в
лоси
(в. Аппроксимация sibhchmocts Рщ,{р) ям
направленного отнетвителя *зовлового> типа (рис.3.5^1)
с переходным затуханием около 10 дБ, '«щелевого» от-
ветвнтеля с распределенной связью G на рис. 3.4,6)
с параметрами С=20 дБ, D=20 дБ, а также коаксналь-
0ыТв?чси ^
рис. 3.4,6) с параметрами вентиля /.ч,<1дБ, ?обр>15дБ,
диэлектрик с е=20. Прочие данные приведены
в табл. 15.
Полоековые устройства представлены табл. 16. Ло-
лосюво-коаксмальные направленные ответвителн типа
¦связанных линий» с диэлектрическим (фторопласт) и
воздушным заполнением. Параметры оТветвителей
С,=20 дБ, Di=IS дБ; Cs=10 дБ, Ds=17 дБ. Второй
ответви те ль имеет настроечные индуктивные стержни
(рис З.Е.б). Полосковый переключатель роторного типа
С механическим контактом между проводниками E на
рис. 3.4,6). Полосковый кольцевой 3-дБ пост с диэлек-
диэлектрическим заполнением, диэлектрик — типа САМ. По-
Полосковый фсррнтовый вентиль резонансного типа {№ на
рис. 3.4,6) на замедляющей гребенчатой структуре.
Параметры вентнта: Lnp=l,5 дБ, 1о6р>20 дБ. Прочие
данные приведены в табл. 16.
и такой системе возникает в виде поверхностного раз-1
рила вдоль поверхности раздела диэлектриков разных
агрегатных состояний и называется перекрытием.
Па рис. 3.6—3.8 изображена типичная картина пере-
перекрытии по поверхности диэлектрика.
Рнс 3.6. Пробой в ферритоюм фазоврашател :
и — йена т>ово«- е-ни ирово<; * —прпвоИ меяда Лецпжтовыи ж
3.3. Особенности электрической прочности устройств
с твердым диэлектриком
Многие СВЧ устройства содержат в евс
. диэлектрические элементы, и параметры этик устройств
в значительной степени, а иногда лаже целиком, опре-
определяются свойствами диэлектриков. В первую очер._ ь
это относится к электрической прочности таких нолно-
водных устройств, как герметизирующие секции, фазо-
фазовращатели, ферритовые устройства почти ко всем
коаксиальным и полосковым устройствам и т. п.
Г На практике чаще всего встречается вариант частич-
частичного заполнения волновода, коаксиальной или полоска-
i твердым диэлектриком. В этом случае Твер-
Твердый диэ/
ктрик
многослойного заполнители Наиболее рас л ростра нен-
, ныы является случай двухслойного ¦ заполнения: воз-
воздух—твердый диэлектрик. Из обширных исследований
I на постоянном токе, которые подтверждаются резучьта-
таын работ на СВЧ, известно, что электрический пробой
Рис. 3.7 Пробой
(полистирол) поквза-
родвого поля). Следы пробоя на диэлектрике
пы стрелками. {Х=.1О см)
Напряжение перекрытия меньше разрядного напря-V
жеяия наименее прочного диэлектрика. В частности,!
установлено [85. Во], что при наличии воздушного за- L
полпенни перекрытие возникает при напряжениях, в не- ^
ько раз меньших, чем соответствующие пробою
воздуха. Физически это объясняется искажением поля,
абсорбцией влаги и другими причинами. При повыше-
повышении напряжения вдоль поверхности диэлектрика возни-
кают кистевые разряды, выходящие из электродов. Они
ионизируют воздух и образуют пространственные эа-
рнды, в результате чего падение напряжения концен-
Для керамических диэлектрических материалов, об-
обладающих пористой и неоднородной структурой, элек-
электрическая прочность характеризуется [65] так называе-
называемым «тсрмолониэаииптшым» видом пробоя. В этом слу-
случае определяющим фактором становится возникающая
ионизация газа в лорах диэлектрика, что приводит к до-
---пыделению в порах и разогреву
Рис. 38. Пробой в
материала. Это вызывает еще большее возрастание ди-
диэлектрических потерь и появление термических напря-
напряжений, приводящих к разрушению диэлектрика.
В частности, при исследовании волиоводвых окон вы-
вывода энергии установлено, что наиболее слабым местом
оказывается центр окна, где обнаружена и самая высо-
высокая температура [87, Й8]
Следует обратить особое внимание на сильную час-
частотную зависимость величины предельного напряжения
(«порога ионизации»), что практически исключает поль-
пользование величиной электрической прочности, полученной
на частоте 50 Гц, для характеристики параметров ма-
материала на СВЧ [65].
Значительное снижение электрической прочности
с повышением частоты отмечается не только для керамн-
ческих Но и Для яепорнстыя материалов. Например, ДЛЯ
фторопласта наблюдается снижение электрической
прочности более чем в 10 раз Tip» увеличении частоты
от Ю3 до 10" Гц. На высоких частотах это снижение
происходит прение всего за счет разрушения диэлек-
диэлектрика у края электрода под влиянием ионизации воз-
воздуха и резкого ускорения процесса старения диэлек-
диэлектрика'.
Среднее значение тангенциальной составляющей Et, при
которой происходит перекрытие в воздухе, составляет
7 10 кВ/см. При большой влажности, которая в дан-
данном случае приобретает существенное значение, оно
может понизиться до 4 ... 5 кВ/см.
Решающее значение с точки зрения электрической
прочности узла с диэлектриком имеет конфигурация
электрического поля. Резко неоднородные поля
(рис. 3.7), а также несовершенство контакта диэлектри-
диэлектрика с электродами (рис. З.в,а), что, в свою очередь, уве-
увеличивает неоднородность поля, являются основными при-
причинами снижения пробивных напряжений разрядного
промежутка [89,90].
Другую характерную особенность электрической
прочности твердых диэлектриков составляет явление
в тверды* диэлектриках, обладающих конечными по-
потерями, сильные электрические поля приводят к значи-
значительному разогреву. Неоднородные электрические поля
(рис. 3.9) особенно опветты, так как они приводят
явлению области с максимальной налряж<
по*/
Пер. с:
I. М,
й разрядное зазоре и уменьшению «активной* площади
поверхности электродов. Это вызывает интенсивный
местный разогрев и даже оплавление диэлектрика в наи-
наиболее критичных местах конструкций, где температура
оказывается за пределами допустимой.
На рис. 3.10, 3.11 представлены некоторые примеры
узлов с диэлектриком, испытанных на электрическую
прочность: герметизирующие волноводные прокладки в
пробки, коаксиальные опорные шайбы и диэлектрические
деления газов не наблюдалось, однако пробои также
сопровождался «возгонкой» части электрода D на
рнс. 3.10.6).
Об опасности теплового и термоионизационного е ро-
робея следует особо помнить при разработке тракта вы-
высокого уровня мощности, содержащего элементы с ди-
диэлектриком. Хотя в этих случаях, как правило, для
повышении электрической прочности используют повы-
повышенное давление, но высокие электрические поля могут
явиться причиной возникновения теплового пробоя.
элементы конусной формы. В качестве диэлектрика ис-
использовались наиболее применяемые полистирол и фто-
фторопласт. Картина пробоя элементов подтверждала об-
общие закономерности, характерные для пробоя днэлек-
Для конусных электродов — случай с резко неодно-
неоднородным полем — тепловой пробой предшествовал элек-
электрическому н начинался при очень малых напряжениях.
У полнетироловых электродов тепловой пробой сопро-
сопровождался обильным выделением газов из вершины ко-
конуса (рис. 3.10.а) и завершался электрическим пробоем
ще перекрытия вдоль образующей конуса со стороны
После пробоя электрод стано-
C на рис. 3.10,6).
падающей СВЧ
внлея оплавтен
У тефлонопо!
предшествовал
и интенсивным.
92
елловой пробой также
у но не был столь бурным
ролового. Заметного вы-
В качестве примера аналогичной практической конструк-
конструкции можно привести герметизирующую тефлоновую
пробку E, б рис 3.10.6).
В случае слабо неоднородного поля, например коак-
коаксиальные шайбы и волноводные герметизирующие про-
прокладки, доминантой является электрический пробой.
который во всех случаях начинался с поперхностных
разрядов в области контакта с металлическим электро-
электродом и завершался перекрытием всего разрядного про-
промежутка.
Пробои коаксиальных шайб начинался и концентри-
концентрировался в ыеста.\ максимальной напряженности поля —
S3
у внутреннего проводника— (/ па рис. 3.1 ],е), которые
в первую очередь и разрушались возникшими разряд-
ньмн каналами. С увеличением напряжения растет
длина и интенсивность разрядных каналов. Перекрытие
идет по поверхности диэлектрика при отсутствии рифле-
рифлений 2 или по выступам рифлений и воздушным проме-
промежуткам между ними 3. На рис. 3 11,6 изображены коак-
коаксиальные шайбы после пробоя.
Вид волноводкых герметизирующих прокладок после
пробоя показан на рис. ЗИ,в Для прокладок из ди-
диэлектрика с небольшой величиной ь (тефлон) разряд
возникал на основном типе волны, а лля с под я ной про-
прокладки (диэлектрике со сравнительно большим е) раз-
разряд соответствует высшим типам колебаний.
Следует обратить внимание на чрезвычайно низкую
разрядоустойчивость полистирола и его сополимеров.
что делает нежелательным использование этих мате-
материалов в устройствах высокого уровня мощности.
Не менее существенными с точки зрения электриче-
электрической прочности твердых диэлектриков являются меха-
механические нагрузки, действию которых подвергаются
диэлектрики в большинстве практических конструкцвй.
Известно, что механическая нагрузка на диэлектрик
может вызвать значительное уменьшение его электри-
электрической прочности за счет ряда вторичных явлений, таких
как растрескивание, увеличение внутренней пористости
и др. Кроме того, высокие поля в диэлектрике могут
сами создавать давления, превосходящие механическую
прочность диэлектриков. В указанных случаях механи-
механические повреждения являются причиной электрического
пробоя, который развивается затем по механически
ослабленным местам. Подобная картина особенно ти-
типична для неоднородных электрических полей. -Сказан-
-Сказанное имеет особое значение для ферритов-диэлектриков
с кристаллической структурой. В последних разрядные
напряжения являются строго кристаллографически ори-
ориентированными, и поэтому механические напряжения
могут вызвать передислокацию кристаллической решет-
решетки н уменьшение электрической прочпостн.
Таким образом, особыми факторами, определяющими
электрическую прочность СВЧ устройств с диэлектри-
диэлектриком, являются влажность, механические напряжения,
качество контакта с металлическими поверхностями.
СВЧ параметры диэлектрика.
Н
Материалы исследования большого числа устройств
различных частотных диапазонов н различного назна-
назначения дали не только необходимую информацию о пара-
параметрах конкретных устройств, но позволили также сле-
слетать некоторые обобщающие выводы.
1. Исследование электрической прочности различных
¦.стройств выявило общий характер развития разряда,
который возникая на неоднородности, органически при-
ivmefi данному устройству. Эти результаты говорят
./сходстве природы электрической прочности устройств
II свидетельствуют в пользу того, что основным факто-
])ом, определяющим электрическую прочность СВЧ
•.стройств, является неоднородность.
2. Исследования показали, что независимо от харак-
характера, назначения и диапазона работы устройств возмож-
возможна общая классификация их по признаку типовой неод-
неоднородности. Такими типовыми неоднородностями яв-
1яются, например, углы — в сочленениях различных
шнкй, ступенчатых переходах, уголках н т. п.; выступы
разного вида — в виде емкостных штырей, диафрагм
и т. п.; неизлучающие щели — в виде дроссельных со-
одняеннй линий, подвижных устройств и т. п.; коакси-
¦лькые вводы —в виде полноводно-коаксиальных пере-
переходов, вращающихся сочленений и др.
3. Можно полагать, что количественная характери-
характеристика неоднородностей. типичных для устройств, может
Сыть использована в качестве критерия при сравнении
их электрической прочности.
4. Возможность применения единого критерия (и,
с чедователыга, общего метода его определения) под-
подтверждается сходством характеристик электрнчесхой
прочности различных устройств. Действительно, незави-
независимо от принципа действия устройств, степени их слож-
сложности, диапазона частот природа электрической прочно-
прочности их подчиняется общим закономерностям, а именно:
чивисимости пробивных характеристик от давления, по-
тобня характера возникновения и развитии разряда
и др.
Б. Вышесказанное позволяет считать, что результаты
экспериментального исследования устройств могут по-
получить применение в более широком смысле—как ти-
повые. С учетом материалов предыдущей главы эти
данные могут быть использованы в миллиметровом —
дециметровом диапазона»: длин волн и интервале дав-
давлений от 5-102 до 5-105 Па.
Результаты проведенного исследовании, которые
охватывают значительную часть типовых элементов вы-
высокого уровня мощности, применяемых в настоящее
в данной области СВЧ техники.
I. Прежде всего следует отмстить, что уровень элек-
электрической прочности применяемых элементов относи-
|]Й'
Ь
щ
ж
i
'А
Рк. 3.12
ЧИН /"„р С|
На рис. 3 12 представле-
представлена гистограмма распределе-
распределения величины электрической
прочности исследованных
устройств широкого приме-
применения Из графика видно,
устройств (группа Б) име-
имеет относительную электри-
электрическую прочность Р'025
(по сравнению с
ствующей линией
чи).
резервах Реализация этих резервов существенно упро-
упростится, если окажется возможным определить единый
критерий оценки электрической прочности волновоДно-
коаксиальных устройств и указать пути его улучшения.
прочность аналогичных уст-
устройств одного и того же типа по назначению и конст-
рукцни различается в широких иретелах. Так, на-
например, для волноводиых ответвителей по широкой
стенке относительная электрическая прочность меняет-
меняется в пределах Р'пр=0,2 ... 0,52, для направленных
ответвитслен по узкой стенке 0.48 ... 0,65. для волновод-
ных переключателей 0,3.-.0,65 для двойного тройника
от 0,2 до О.5 к т. д.
Столь значительное (до двух раз) различие электри-
электрической прочности не может быть объяснено различием
СВЧ характера Сравниваемые устройства спроектиро-
спроектированы исходя из общи* положений без каких-либо прин-
принципиальны я особенностей, о чем свидетельствует иден-
идентичность СВЧ параметров аналогичных устройств.
3. Наконец, наблюдаемый разброс в величинах элек-
электрической прочности устройств говорит о значительных
Расчет электрической нрочностн СВЧ устройств сно.
днтся к исследованию электромагнитного ноля в них
с целью определения величины максимальной напря-
напряженности электрического поля Анализ оказывается про-
простым лишь тля регулярных линий к простейших элемен-
элементов, гае известен " характер электромагнитного поля.
Однако при Проектировании СВЧ комплексов высокого
уровня мощности основная задача заключается в опре-
определении характеристик сложных элементов н устройств.
Решение прямой электродинамической задачи в этих
случаях сопряжено с серьезными трудностями.
Экспериментальное исследование большого числа
СВЧ устройств широкого применения различных диапа-
диапазонов работы показало, что электрическая прочность
однотипных (по назначению и принципу гействня)
устройств может колебаться в широких пределах Так,
например, для волновод ныл переключатели электриче-
электрическая прочность различается в два раза, чля направлен-
направленных ответвителей в два-три раза, для вращающихся
сочленений—более чем в два раза и т. д. Это обстоя-
обстоятельства позволяет п ре гло дожить, что с точки зрения
электрической прочности СВЧ устройств определяющим
является не столько их электродинамическая природа,
сколько иные, более существенные факторы, например,
характер специфической члн данного устройства неодно-
неоднородности Подобное положение является типичным для
электростатически к систем
Исстедовання характера СВЧ разрядных явлений об-
обнаружили также сходство с разрядными явлениями
в низкочастотных устройствах и высоковольтных устрой-
устройствах постоянного тока
Эти обстоятельства позволили предположить возмож-
возможность определения критерия СВЧ электрической проч-
прочности с помощью методов электростатики, разработан-
разработанных для устройств постоянного тока.
7—W5 97
4.1. Применение методов электростатики для ра
й прочности СВЧ устройств
Идея использования члн анализа и расчета электри-
электрической прочности высокочастотных устройств методов и
теории электростатического потенциала впервые была
выдвинута Брауде Б В. [91]. Исследуя большое число
систем при расчете градиента электрического потенциа-
потенциала в высоковольтной аппаратуре мощных ВЧ передат-
передатчиков длинноволнового диапазона, он исходил из того
факта, что максимальное значение потенциала, как пра-
правило, имеет место в точке проводника с максимальной
кривизной. Это значение градиента определяется
в основном радиусом крвпнзны проводника и расстоя-
ннем наиболее искримленной его части до поверхности
Противоположного потенциала Учет же точной формы
границы поля вносит несущественную поправку. При
подобном подходе к вопросу электрической прочности
локальные области — области максимальных градиен-
градиентов.
При условии малой рассматриваемой локальной об-
области по сравнению с разрядным промежутком и длиной
волны электромагнитных колебаний в данной среде,
д также при отсутствии объемных зарятов можно счи-
считать, что мгновенное, установившееся в рассматривае-
рассматриваемом объеме, поле подчиняется законам члектростатн-
стнкя.
сравпенлеи результатов расчета поля v закруглетшого угла двумя
Способами- решением уравнении Лагласа и волной» «равнений
Решения уравнений в конечны* разностях для электростатического
¦ влвт-родинаннческого полей совпадают с большой точностью
в пределах малой области, радиус которой Д( мал по сравнению
с критической влинои волны J-яр. Относительная ошибка при исполь-
использовании уравнении Лапласа вместо волновых \-рявнении для этой
области оказывается [3] ис более
Таким обраэоч. для 3-сн волновода геченчен 23*10 мм при
&1=2 нл ошибка A№fJ5%, для волновода сечением 90X45 мм (!W-=
-=18 см) при Д/=4.5 км ошибка Дч^О.бЧЬ. Твквя точность расчета
поля нетодамн электростатики подтверждает справедливость исход-
исходных предположении
Другим подтверждением возможных аналоги)! с электпостатнетл-
чеспмн явлениями может стужнть тахже наблюдаемое сходе
начальных сталлй СВЧ разряда с коронным элгетростатнчес
гВ \
Основываясь на этом, в работе [91] использовано
решение уравнения Лапласа для некоторых конфигу-
конфигурации общего типа.
Расчет электростатического поля заключается
делении величины напряженности электрическш
но всех точках разрядного пространства по за.,
зарядам и потенциалам тел. При решении основной
электростатической задачи предполагается [92] задан-
заданной первичная, „ненозмущепная" функция возбуждения,
к е. потенциал заданной системы электродов- Решение
заключается в отыскании такой вторичной, «возмущен-
«возмущенной» потенциальной функции, которая с максимально
заданных граничных условии Как первичная, твк в
вторичная потенциальные функции определяются фун-
фундаментальным уравнением Лапласа
V/dz^=0 {4.2)
(для однородной среды без объемных зарядов).
Решение уравнения Лапласа составляет существо
аналитического метода. Однако очень незначительное
число электростатических задач может быть решено
в строгом виде. Такие задачи относятся главным обре-
обрезом к тем случаям, когда форма электродов позволяла
провести решение уравнения в конечном виде. В [91]
были рассмотрены и определены относительные величи-
величины максимальных паи ряжен иостей для таких систем
электродов, как эллипсоид и эллиптический цилиндр на
плоскости, гиперболоид и гиперболический цилиндр над
плоскостью, аксиальные цилиндры, ряд выступов на
плоскости и некоторые другие. Этн случаи позволили
аппроксимировать ряд конкретных конфигурации дета-
деталей высоковольткой аппаратуры
Поскольку прямое решение уравнения Лапласа воз-
возможно для очень ограниченного круга задач, во многая
случаях пользуются приближенными методами расчета.
В общем, смысл этих методов заключается в том, что
рассматриваемая область заменяется возможно более
простой областью, решение для которой известно, либо
может быть получено известными способами. В част-
частности, в пекоторых случаях [68, 96] приближенные ме-
методы основаны на преобразовании с помощью метода
конформных отображений [93]. Полученное решение
принимается за нулевое приближение заданной задачи
к может Быть при необходимости уточнено последова-
последовательным введением ряда поправок. Таким образом была
решена [94] задача для закругленной кромки угла 90°
близ проводящей плоскости и закругленных кромок
узкой щели.
К числу приближенных методов относятся также гра-
графический метол н метод моле шровапня. Графический
ний к контурам проводников и подобии нчеек сетки,
образованной пересечением силовых II девилотенциаль-
ных линии. Графический метод имеет большие практи-
практические значение для илоскопаралле-льиых полей и полей.
окружающих заряженные тела вращения [121].
Моделирование электрических полей может осу
ществляться с помощью электропроводящей бумаги,
электролитических ванн, сеточных интеграторов н дру
гний методами', но ввиду сложности необходимой аи
паратуры применяется пока редко.
Наконец, развитие и внедрение быстродействующих
ЭВМ, позволяющих проводить численны и расчет слож-
сложных электрических полей, представляет собой весьма
перспективное направление развития теории СВЧ
устройств [64].
В литературе [91—98] рассматривается большое ко-
количество задач, однако следует отметить, что боль-
большинство решений относится к так называемым двухмер
ныы или плоскопараллельным полям. Потенциал таких
полей есть функция двух координат, в плоскости кото-
которых расположены все линии напряженности, а картины
поля в плоскостях, параллельных этой, одинаковы.
В то же нремя большинство практических нолей яв
лиются пространственными или трехмерными. Общих
¦ Фнльчноа П. Ф. О мояелироваыи
1959. т. 125. J* 5, с. 1023—11
Прудконкнн Г. П. Ilpi
i О. В, Матемагнчеишс модели для -расчета элопрических
IK полей. Киев. «Наукой думка,. 1964
Пуша В. В., CuohOi В. П. Модели с сосредтчи пр
ыеграни для изучения электромагнитных нолей
ыеетрошнн. Сер Электроника». 1961. выл IS.
методов рситсипв иолобныч задач нет; здесь пригодны
мстиды, которые описывались применительно к плоской
задаче. Однако решения при з*том настолько услож-
усложняются, что практическая реализация их становится за-
затруднительной. Поэтому, если для п.чоскопарадле.тыюго
поля имеются решения для Большинства конфигураций
электродов, го ъпя простри кстпенного ноля решения
большей частью отсатстпуют или весьма сложны
Дли упрощения стараются найти путь, который поз-
позволил бы, лрелстантия и ростра нетленное поле анало-
аналогичным плоским, применить таким образом методы и
Возможность такого улроШснин прежде всего касает-
касается наиболее просты, прострянп венных полей, об л ад а ю-
щи.ч осевой симметрией. В stom с.пчас при местедова-
ннк нространственниго поля можно ограничиться
рассмотрением плосколаралдельного поля, соответству-
соответствующего осевому сечению конструкции.
В частном случае простраиствепиого поля, когда
максимальная напряженность чожст Быть отнесена
к какому-то детерминирован но mv сечению пространст-
пространственного "ноля, его анализ может бьш, ограннчеп "рас-
"рассмотрением п-тоскопараллелыюго по чя, соответствую-
соответствующего данному (предпочтительному) сечепию.
В других, более сложных случаях, применяется vim-
версальный метод, основанный па так называемом
«законе кривизны» [97]. который использует для ис
следования пространственного поля плоские поля не-
нескольких вспомогательных сечений1. Этот путь позво-
позволяет затем воспользоваться аппаратом решения плоских
задач.
Для симметричных конструкций широко использует-
используется метод зеркальных отражений
Применение подобного пот хода для решения СВЧ
задач [3, 24, 33, 34. 70] подтвердило его правомерность
и справедливость сделанных приближений. В частности,
для расчета некоторых волноподных структур были ис-
[70, 3]. Два решения электростатических задач расчет
полей на закругленном угле возле проволяшей стенки и
на закругленных упах малой щели — были пепользова-
ыы для расчета вошоводных фильтров [2-1]. П-. Н~вол-
новодов [Щ и нолосковыл [3JJ волноводов.
Эти опыты дали положительные результаты, и, хотя
во всех указанных случаях рассчитывались простые
полноводные устройства с единственным элементны не-
неоднородности, опыт подтверждает возможность приме-
применения электростатического анализа к СВЧ устройствам.
В то же время следует заметить, что значительное раз-
разнообразие способов расчета шли. oicjiciBiie единого
метода н сложность СВЧ устройств станят разработчика
в большинстве случаен в затруднительное положение.
Б материалах последующих разделов излагав it я ин-
инженерная методика анализа и приближенного расчета
электрической прочности сложных СВЧ >с1роиств,
основанная на применении аппарата электростатики.
4.2. Сущность приближенного метода
электростатических анвлогов. Основные положения
Для количественно» характеристики неоднородного
электростатического ноля наиболее удобно использовать
так называемый коэффициент неоднородно-
неоднородности поля, который определяется отношением
q=EKiaQ!Ew, D.3)
где ?1Ш — максимальная напряженность в разрядном
промежутке; Еср — средняя напряженность в разрядном
промежутке, равная напряженности равномерного поля
для данной разности потенциалов и длины промежутка.
Рассматриваемые СВЧ устройства органически пред-
сгавляют собой неоднородности в регулярных пиниях,
.электрическая прочность которых известна. Это позво-
позволяет характеризовать прочность СВЧ устройства вели-
величиной относительной электрической прочности
где Лщустр и Pup рог—пробивная мощность устройства
и регулярной линии передачи.
С другой стороны электрическая прочность устройст-
устройства определяется величиной максимальной напряженно-
напряженности ?Н1нс на неоднородности. Поэтому, если электриче-
электрическую прочность устройства Р'щ, выразить через напря-
напряженность, то получим
где ?К1нс в ?0—соответственно максимальная напря-
напряженность на неоднородности и напряженность невозму-
шеянои части волновода. А так как для регулярной
линия напряженность Ео можно принять равной средней
напряженности, то отношение ?МВКС/ЕО приближенно
соответствует величине q критического узла, т. е. обла-
области максимальной напряженности поля EKWC. Степень
приближения будет тем больше, чем ближе величина Но
в невозмущенной части регулярной линии к вели-
величине Еср.
Таким образом, в приложении к СВЧ устройствам
оказывается возможным воспользоваться принятым для
характеристик электростатического поля коэффициен-
коэффициентом неоднородности поля q, который будем применять
в качестве критерия электрической прочности.
Выявление критического узла исследуемого устройст-
устройства и определение соответствующего параметра ц яв-
является основной задачей методики приближенного рас-
расчета влектрической прочности.
Большинство СВЧ устройств представляют собой
сложный комплекс элементов, коэффициенты неоднород-
неоднородности поля которых могут иметь разные значения. По-
Поэтому исследование электрической прочности устройст-
устройства следует проводить последовательным анализом каж-
каждой из неодяородностей и соответствующих им коэффи-
коэффициентов неоднородности поля для определения велячи-
ны коэффициента ?.,№.
Электрические поля большинства СВЧ устройств яв-
являются трехмерными, поэтому, в соответствии с изло-
изложенным ранее, о качестве первого приближения пред-
представим их соответствующими плоскими двухмерными
моделями.
Такой подход позволит расчет электрической проч-
прочности большинства СВЧ устройств свести к определе-
определению величины q двухмерных электростатических «аяа-
Представленис исследуемого поля в плосхой гео-
геометрии и определение наибочее близкого двухмерного
аналога производится с помошью устпвных критических
сечений, совпадающих с плоскостью максимального воз-
возмущения поля. Такие критические сечения G. П и т. п.)
проводятся через точку вероятной концентрации напря-
103
женности поля. Выбор положения первого критического
сечения определяется конфигурацией электрического
СВЧ поли основного типа для денного устройства.
Например, для устройств, работающих на прямо-
прямоугольном волноводе с основным типом волны H,D, кри-
мума напряженности поля ?ь— плоскостью продольного
сечения волновода Ани тгииный выбор исчесообраэен
для круглого волновода с волной типа Ям и т. п. Для
осесныметричных типов волны, например. Г —в коаксн-
але, Еш — в крутлом волноводе а т п.. первое критиче-
критическое сечение совпадает с любой радиальной плоскостью.
Выбор положения последующих критических сечений
определяется конструктивными особенностями алемек-
Поясмнм сказанное на примере Рис. 4 1,е изображает волнопод-
де металлического стержня с. резьбой впрн-
во.гна Win). Первое критическое сечение
;итт. и плотности XZ — максимума нвпри-
прочность уэля. модель которого представляет система,
vpricny двумя плоскогтрми Злтем. -ггоСи оцепить в.тнинне
рвтвчссное сепеняе веоВходиыо провести п
частя, втогкн
OCR XV. С 41
ctviiob не нроволящен плоскогги С
При дальнейшем анализе следует иметь в виду сле-
следующее. Для соответствующего плоского электростати-
электростатического нпа-юга поле вне локальной области неоднород-
неоднородности следует принять равномерным и равным макси-
максимальной величине напряженности СВЧ поля в
рассматриваемом сеченнн (в дайнам случае Ео). Такое
допущение вполне оправдано тем, что электрическая
прочность в иояечнпм итоге зависит от величины макси-
максимальной напряженности. Для примера, приведенного
выше, можно пренебречь синусоидальным распределе-
распределением поля основного типа, приняв его равномерным для
моделей сечений /—/ и //—// и равным максимальному
Ни рнс 1 \fi. в гисрЛрн?
диафрагма в волноводе kpii
ная плоскопвраллельная moj
две симметричные беснонечн
¦ксииын выступами радиусов
н / I —
кевсияу-
круглеь
Опыт п
пскопйраллелыгои тоЛьчи предполагается равны*'
рлг 4.1,в изображен цнлннлрмчемнВ шлейф (диаметра d) не широ
той стенке прямоугольного волвовода и двуяыгрнвя модель его кри-
критического сечишя. 90°-иая закругленная ступеньки радиусом ri на
расстоянии 6 от параллельной бесконечной плоскости Иевознушен-
но* поле ^в даляон двуяысрной модели соответствует максималь-
максимальном! для волны ий
Особые трудности при расчете электростатических
полем возникают в случае задачи с острыми кромками.
Действительно, в этом случае напряженность на ребре
теоретически равна бесконечно большой величине н ре-
решение становится неопределенным. Поэтому при анали-
анализе устройств, имеющих острые кромки или нескрутлев-
оследпи* следует представлять в виде эа-
с минимальными р ел ну сами здкругленнн.
г показывает, что даже когда на чертежах отсутст-
отсутствует указание о радиусе закругления, острые кронкв
в большинстве случаев практически оказываются тех-
технологически притуплёнными радиусом 0.1...0.3 мы или
близкой к этим размерам фаской. Боковые поверхности
закругленных углов, кромок следует представлять ци-
цилиндрическими.
Для устройств, обладающих геометрической симме-
симметрией, выбор электростатического аналога следует про-
проводить для одной из зеркальных половин.
Наконец, при необходимости расчет ыожет быть скор-
скорректирован введением поправок, которые учитывают
внутренние отражения в устройстве, кривизну в других
плоскостях и пр.
Такиы образом, порядок расчета электрической проч-
прочности устройства сводится к следующему:
— выбирают критическое сечение я определяют его
двухмерную модель;
—идентифицируют (двухмерную) модель критическо-
критического сечения с наиболее близким электростатическим
(плоскопараллелышы) аналогом;
— в соответствии с расчетными формулами уточняют
величины параметров, [.оответствуюших геометрии
устройства;
-рассчитывают коэффициент неоднородности поля
q критического сечения;
— в случае нескольких критических сечений подобный
расчет проводят для всех сечений-.
—по максимальной величине коэффициента ниш
ролности поля в определяют электрическую прочит
устройства кяк
4.3. Тнговые неоднородности СВЧ устройств
И ИХ ЭЛВКТрОСТЕ
Анализ различных СВЧ устрогтетп и неоднородности.
присущих каждому из них, покачал, что большая часть
неоднородностей может быть вычелепа я классифициро-
классифицирована по принципиальным причин кам в сравнительно не-
небольшое чисчо типовых разновидностей и сопоставлена
с определенными аналогами. Ниже приводятся примеры
некоторых устройств н рассматпнпаются соответствую-
соответствующие неоднородности
1. Уголок в Е-плоскости (рис. 4 2,п). Область коя-
цеитраппн поля — ребро А критическое сечение I—f
проводин в плоскости MaKciiMVMB напряженности поля
ЕР иевозмугденного волновода Двухмерная модель 2 на
рис 4.2,я представляет собой \тол с пилянчрическо»
боковой поверхностью (и psipvcoM чакрупения реВ-
ря г) пал Йескпнечиой плоскостью в оаногюдном поле
En Расчетным аналогии является выступ над плоскостью
(см 3 на рис 4.2л1.
2 Гофрированный волновод (рис 4.2,0) Область
концентрации поли —выступ А; критическое сечение I—
I проводим в плоскости максимума напряженности Et
невозмугпенного волновода. Двухмерпая модель 2 не
рис 4 2.С представляет соЯой таа симметричных пи.тин-
црических выступа на противоположных бесконечных
плоскостях в однородном поле Еп. Поэтому ограничимся
рассмотрением олногп из зеркальных изображении отно-
относительно условной проводящей плоскости С С. Рас-
Расчетный аналог такой модели — питаттдрическин выступ
на плоскости (см •? на ряс 4.Z.ftj.
3 Диэлектрический фазовращатель (риг. 4 2 в). Об-
Область концентрации поля — несущие стержни (диэлек-
ввет, что было установлено эксперимента -гьно) Распо-
Расположенно критического сечения / / аналогично Геомет-
Геометрия устройства позволяет ограничиться рассмотрением
одной половины модели, симметричной относительно
107
плоскости С -С Расчетным аналогом модели является
цилиндр на проводящей плоскости (см. S на рнс. 4.2.в).
Для конструкции с резьбовым несущим стержнем
B на рис. 4.2.е) вторым критический уэлоы. подлежа-
подлежащим рассмотрению, является резьба Fa стержне Для
этого проводится критическое сечение //—II в плоскос-
плоскости стержня. За расчетный аналог принимается ряд одно-
однородных выступов на плоскости (см. 4 на рис. 4.2,в).
4. Ступенчатый трансформатор (рис 4.2,г). Область
концентрации лоля — ступеньки (А, Б); критическое се-
сечение /—I проводим в плоскости максимума напряжен-
напряженности Fv. Двухмерная модель 2 представляет <и>бой два
угла, симметричных относительно плоскости. Для анали-
анализа можно ограничиться одним из зеркальных изображе-
изображений Расчетным аналогом модели является угол 90е над
плоскостью (см. 3 на рис. 4 2.г).
5. Подвижные индуктивный штырь (коммутирующий
элемент) - (рис 4.2.Д) Области вероятной "концентра-
"концентрации поля—вершина штыря А, кромка шлейфа Б и зазор
дросселя В. Вследствие осесимметричноЯ конструкции
устройства все три критических узла совпадают с сече-
сечением / — /в плоскости максимуме напряженности не-
возмущенвого поля Ее. Соответствующие аналоги 2. 3
и 4 изображены на рис. 4.2.5 Для узла А — это сфери-
сферический выступ (высотой Л) на проводящей плоскости.
При этом предполагается, что электрический контакт
штырь — плоскость обеспечивается дросселированием.
Аналог узла Б представляет собой прямой угол (ра-
(радиусом г) над плоскостью на расстоянии 6. Аналогом узла
В является узкая ще-it шириной 2<
6. Волмоводные фильтры (рис. 4.3,а, 0) [24] Фильтр
волноводов. На тех же рисунках изображены симметрич-
симметричные модели B) реальных неоднородностей и зеркальные
статические аналоги C)—угол над проводящей плос-
плоскостью для первого типа фильтра и угол у магнитной
стенки (кеиэлучающая щель) —для второго.
Рнс 4.3. Некотпрме типовые ш
е vcTpofcna. ил крнтпте-
7 Двойной свернутый во гноводнып тройник
(рис. 43,в). Области вероятной концентрации поля: на
углах //-плеча область А, на углах ?-плеча—область
?. Первая симметрична относительно максимума поля
Рис 4.3. Некоторые типовые полноводные устройства, ни крнтнче-
//-плеча, поэтому критическое сечение /—/ совпадает
с плоскостью симметрии волновода. Соответствующая
модель 2 этой неоднородности — угол 90° над плос-
плоскостью— изображена на этом же рисунке.
Поскольку ?-плечо развязано относительно основного
типа колебаний входного волновода (//-плечо), то мо-
модель сочленении Е-плечя можно представить как ненэ-
лучающую щель шириной Ь. Двухмерный аналог модели
критического сечения И —И — узкая щель со скруглен-
скругленными кромками {3 на рис. 4.3,eJ
8. На рис. 4.4 изображены волноводный переключа-
ieAb «роторного типа (о), *позвонковый> волновод F)
и герметизирующая секция с диэлектрической проклад-
прокладкой (в). Указанные элементы объединены однотипным
характером неоднородности. Областью вероятной кон-
концентрации поля является дроссельное сочленение волно-
волноводов—область А. В герметизирующей секции положе-
положение усугубляется наличием диэлектрика. Критическое
сечение / / совпадает с плоскостью максимума поля
Им- двухмерная модель — нензл у чающая узкая щель
(рис. 4.4,г) с соответствующим аналогом.
9. Волноводное вращающееся сочленение (рис. 4.5,а
изображает одну половину сочленения). Области веро-
вероятной концентрации: А — сочленение прямоугольного
волновода с кругтым, В —емкостная согласующая дня
фрагыа н В—дроссельное соединение.
Критическое сечение / следует провести через мак-
максимум поля //,„. Неоднородности ? и В в круглом вол
иоводе осесиыметрнчиого характера, поэтому критиче
Ряс 4Ji Bn.iHDto.iHoe пря Рис i.6. Волшшоияо ком-
щдющееся еочлгаение (а) и спальное врииающееся гоч-
плоские модели его нрети- ленение (о) и плоские *о-
гкие сечется // и /// могут совпадать с любым рвдналь-
мын сечением, в частности, с плоскостью / — /.
Двухмерной моделью узла А являются Два угла, сим-
симметричные относительно плоскости С\ — С, (рис. 4 5.о),
аналог — прямой скругленный угол на расстоянии 6/2
над проводящей плоскостью. Двухмерной моделью узла
/) являются два выступа на проводящей поверхности,
симметричные относительно плоскости Ct—Ся, аналог—
. кругленный выступ на поверкностн Двухмерной мо-
гслыо узла В является узкая неизлучающая щель
(рис.4 5,г).
10. Волноводно-коаксиалъное вращающееся сочлене-
сочленение (рис. 4.6). Области вероятной концентрации поля:
1—вершина эондового возбудителя, Б — угол кояксн-
1.1ьно-волповодного сочленения и В — дроссельное сое-
чшение Вследствие осесимметрнчного характера неод-
¦юродностей Б и В критические сечении совпадают
плоскостью /—/ максимума поля И1С волновода. Рас-
'стньтми аналогами для соответствующих двухмерных
моделей являются: система электродов «шар —плос-
,пстьг (рнс 4.6,6) для vs.ia А, коаксиальный ввод
(рис. 4.6.в) для узла Б я нензлучаюшая щель
(рис. 4.6,г) для узла В
П. Коаксиальные устройства Хотя выше были рас-
мотрены только примеры волноводных устройств, рее
соображения и рекомендации о порядке расчета останэт-
• я в силе к лля коаксиальных устройств. Расчет коакси-
11ышх элементов (выбор критических сечений, аналогов
1—1« 113
и т. д.) в силу осесимметричноВ (как правило) конструк-
конструкции их и структуры основного поля тнпа Т несколько
проще, чем для волноводных элементов. Из рис. 4.7, где
изображены примеры нескольких типовых коаксиальных
устройств, видно, что плоскими моделями неоднороднос-
тей я в этих случаях являются системы, рассмотренные
выше.
Проведенный анализ позволяет принять в качестве
обобщающих следующие, наиболее распространенные
элементарные неоднородности, показанные на рис. 4.8.
Эти элементы охватывают большинство нсодиород-
ностеи, встречающихся в наиболее применимых СВЧ
устройствах. Поэтому знание параметров подобных сис-
систем позволит решить" большое число практических задач
4.4. Критерий электрической прочности
некоторых электростатических аналогов
В соответствии с принятым порядком расчета после
уточнения тнпа неоднородности, характеризующей крити-
критическое сечение устройства, следует подобреть соответст-
соответствующий электростатический аналог и определить вели-
величину коэффициента неоднородности ноля В данном раз-
разделе рассматриваются плоские системы электродов.
принятые в качестве двухмерные аналогов обобщенных
элементарных неодноролностей (рнс 4 8) СВЧ устройств.
Приводятся аналитические выражения для определения
коэффициента неоднородности и численные значения этой
величины, рассчитанные дли наиболее употребительных
геометрических размеров в миллиметровом —децимет-
—дециметровом диапазонах длин волн.
Система электродов в форме одиночного проводяще-
проводящего выступа, аппроксимируемого гиперболоидом, над про-
проводящей плоскостью (рис. 4.9,о) рассмотрена в [91]
Используя прнишлг эеркилыдах отражений, данный гниерболо-
¦U можно рассматривать как один из двух зеркальны! над право
дису-н пло-коетъю ZOY. что не нарушает реальной картины поля
Полагая лотекцпая гиперболоида.
одяшсА п
исииостн ыежду к
Рве. 49. Основные параметры злектролов — рнвлог<
нгодыородностеи СВЧ устройств"
ь -выступ над плоского» (raivpfi клшд — I. гвпеб
сфере — л- гиперболическое ребро —*). б — мктуп р«
Здесь f[t,, *,)= ,dj У\~-V
чсонп интеграл 1-ю рои [100]. г
sliiy — пбулнроыаный
*'. = a p, + Pl'p,:
н выступ ииест форму гвпсрОолони вращения, т е. ?, = «,. то
1огда выражение для коэффициента неоднородности по-
•ч гиперболоида вращения примет вид
^ _7^. D.17)
На рис. 4.10,с представлена зависимость D.17) Для зна-
значений Ui^1...IO0. наиболее вероятных в устройствах
' 'ВЧ диапазона.
Если один из радиусов кривнйны гиперболоида равен
бесконечности, например, ра=ло, то это соответствует
случаю гиперболического цилиндра с радиусом кривиз-
кривизны вершины pi D на рис. 4.9,а). Соответственно решение
уравнении D.14) в общем виде
D.18)
На рис. 4.10,6 представл
наиболее вероятных в устройствах СВЧ з
метра и2=1... 50.
Описанная конфигурации электродов позволяет
аппроксимировать различные системы в виде выступ.'
или ребра с закругленной вершиной над плоскостью. По-
Поскольку из выражений D.17) и D.19) следует, что дли
величины градиента потенциала существенны только ра-
радиус закругления н расстояние от вершины до пло
то форма выступа по пере уделения от вершины
пия не имеет. Это позволяет применить полученные cooTj
ношения к случаям различных конфигураций выступов
с закругленной вершиной, когда радиус закругления вер-
вершины существенно меньше расстояния до плоскости или
(при значительных радиусах), когда высота выступа
сравнима с расстоянием до плоскости.
Практический интерес представляет частный случаи
аналогичной системы электродов: шар— плоскость. Ре-
Решение ыожет быть получено, если рассматривать данную
конфигурацию как часть системы из двух зеркальных
сфер и приводит к следующему соотношению для макси-
максимального коэффициента неоднородности в точке А (Я на
рис. 4.9,в) [861.
*,= ("»+Т-)+«ц.+ ц I »¦»!+¦)¦ +
D.20)
Здесь щ=п{г; а и г—геометрические раэиеры.
На рис. 4.10,а представлена зависимость D.20).
Такая система электродов позволяет аппроксимиро-
аппроксимировать ряд конструкций, подобных зондовыы возбудителям
в коаксиально волноводныл переходах, штыревым излу-
излучателям и т. п.
Решение уравнения Лапласа для проводящего высту-
выступа на плоскости (рис. 4.9.6) может быть получено, если
выступ аппроксимировать эллипсоидом.
Э КООрДННИТКик ОСЕВ rnhti-ipin и с ОДЖ1Н ЬЭ ГЛЭ1
пеондн и «вправлением невоэыущекного полк En- В т
для вытянутого аллнконда
чтобы
с осей
иала Ена.с в
е определяется выражением
К
-?(».. Ml"'.
тде Р{фь fti) и Е(Ч>1, *i) —эллиптические
первого Н второго рода,
t*,^lft> — 6')/(а'— с1); т, = ar
В частном случае, когда в>Ъ=с.
и формуле
чае, когда о<*-=с. адегуп им... т_„ _
вращения. Этот случай имеет Оольщее пращ
i предыдущие. Формул* D.Я2)
Заменив полуоси эквивалентного эллипсоида (в фор-
формуле D.25) величины a, ft) реальными геометрическими
величинами, соответствующими размерам выступа: а—
высота выступа, pi и р, —радиусы кривизны вершины
эллипсоида (р,=с3/о и pj=b'/a). и введя характеристи-
характеристический лля данной системы параметр
щ=(а1ЬK=а/р, D.26)
можно представить коэффициент неоднородности для
сплющенного эллипсоида вращения (pi=Ps) вырвже-
D.27)
На рнс. 4.11,а представчена зависимость D.27) для зна-
ченнй параметра iij=0,l... 1,0 наиболее вероятных
в устройствах СВЧ диапазона. Ести a=fc=c=p, то выс-
выступ имеет форму полусферы и коэффициент неоднород-
?г=Е«.кс/Й>=3. D.28)
В случае большого числа близко расположенных оди-
одинаковых выступов C на рнс. 4.9,6) на идеальной плос-
плоскости возрастание градиента на вершинах выступов
в сильной степени OLJiaiueiiottY взаимным экранирующим
действием. Численное решение для поля, образованного
системой одинаковых сферических выступов, показало
[Э1], что отношение градиента Е'в в вершинах условной,
наиболее деформированной эквипотенциальной поверх-
поверхности АОА в области непосредственной близости к вы-
выступам ud сравнению с градиентом ?0 на весьма удален-
удаленной поверхности (область равномерного поля) равно
*'»=?'в/?в=|_17 при x=4>,54d. D-M)
¦20
Таким образом, по сравнению с м&ксямальныи градиен-
градиентом в вершине одиночного сферического выступа, где
<у=3, градиент на неоднородной поверхности лишь незна-
незначительно отличается от градиента идеальной поверх-
остн вследствле наличия большого числа близко рас-
оюженных выступов
^чтение для бесконечного ребра на плоскости полу-
тпеонда ориентированного в поле Ео
эллипсоид с высотой Ь, радиусами кри-
I'jic 4 11 Коэффициент иеоднорппностн поля системы электродов:
..выступ на плвскости> qi — эллипсоид — с; q, — млнптяческнн ЦВ-
¦ткдр —в.
ниэны pi—с3/* и (*,=#№ при а=оо превращается в за-
закругленное ребро эллиптического сечения {4 на рнс.
4.9.6). В общем виде при д=со, Ьфс коэффициент неод-
неоднородности определяется соотношением
94=Е«анС /?(р=1 + Ь /с. D.30)
При «=оо, fr=c (ребро полукруглого сечения) <ч=2.
11а рис 4.11,6 представлена зависимость D.30) дли зна-
знамений Ki=0,l ...5,0 (здесь ui=*/c).
Описанная система электродов позволяет аппроксн-
¦ привить различные конфигурации в виде симметричного
округленного пыступа или ребра на плоскости, когда
нысота выступа меньше расстояния до противополож-
противоположного электрода. В противном случае (при большой вы-
высоте) выступ приводит к возмущению поля у противопо-
противоположного электрода и таким образом нарушаютси исход-
исходные условия, положенные в основу данного решения (од-
(однородность поля по мере удаления от эллипсоида), Я
представление системы электродов в виде выступа на
плоскости не применимо. В этой системе следует рас-
рассматривать выступ как часть гиперболоида над плос-
плоскостью и пользоваться соотношениями, приведенными
ранее. Б. В Брауде была рассмотрена также задача
о коаксиальном вводе стержня в закругленное отверстие.
Для решения этой аадачи электроды представлялись системой
двух cfxJxmvcHus однополосных гиперболоидов (рис 4.9л). Посколь-
Поскольку^ данной системе предегаплнют интерес напряженности в точках
А н Б, т ев плоежости XOZ. то такая аппроленмацни вполне при-
годка я уравнение Лапласа может быть решено в элементарных
ФУППЛЯХ. -/Я» •
Если разность потенциален между электронами V,. радиус
Здесь и, Ъ и с — параметры гиперболы, соответствующие геометрии
Уравнения D.31), D.32) позволяют определить вы-
ражения интересующих нас величин. Для коэффициентов
неоднородное! и в точках АкБ
На рис 4.12 пред
фициентов неоднороднос
размеров (а,=а,)
Зависимость рассчитана для двух значений величины
с3/с,=2,3 и 3,5, что соответствует сопротивлениям 50 ц
75 Ом подводящих коаксиальных участков. Интересно
заметить, что если c>ej, то Ьяя^с н Ь,^с к система ги-
гиперболоидов обращается в коаксиальную линию, а урав-
вення D.31), D.32) приобретают известный для коак-
cni_ ьных линий вид
D.36)
D 37)
откуда могут быть»огфедел(.-ны величины q^.
Конструкций электродов с закругленным!
(кромками) весьма типична чля устройств высокого
уровни мощности, и поэтому расчет се представляет
большой интерес. Элек-
Электроды подобного типа ти-
роко распространены в
высоковольтной аппара-
аппаратуре, и в электростатиче-
электростатических расчетах занимают
особое место.
Рис. 4 12 Коэффициент ню
ЯОродностн поля системы
фО1.>гны1 гиперболоидов
Анализ лолей в системах подобного типа [90] оказывается воз-
возможным с помощью аппарата теории функции комплексного вере-
иениого —методом конформных отображений. Конформное отобра-
отображение плоского многоугольнике, который соответстьует двукмерной
области, ограниченной дугаыи и прямыми отрезками конгувэ раз-
разрядного промежутка. Приводит х дифференциальному уравнению
3 (о порядка Решение »гого уравнения связано с болыиннн труд-
D.35) ™
оторых с
уп
упрощаетс
р р
ческими размерами неизвестна. Ршене з
в случае прямоугольных конфигураций, когд»
у рупие на утвих. Впоследствии были предложены
обы, позволившие решить задачу в интермуюшеи пас практи-
практиа дли яакругленныж углов В частности в [91] был
ае —дли яакругле
ачу в интермуюшеи п
ж углов. В частности, в
до
.емой области. Ддесь
удается ввести параметры р. •
постоянные уравнении с гш»
О —Оврязн верШН I СДНОСЕШН1 _. _ .....
скости г. на верхнюю iiojiiплоскость ( (? на рнс ЛУ.г), С, и Сг —
постоянные интегрирования, р и й — отоорашения концов кривой.
Л — акцессорный параметр, характеризующие скругляющую кривую.
С ГЮ.4О1Г1Ы0 акцессорного параметра У. фориу скругляющей кря
вой ыожко подобрать сколь \ годно G.ihjkoB к дуге закр)глеыия угла
На основе предложенного метода была рассмотрена конфнгура
цня электродов, предстакляющан сир\т1енныв но CKpvMUOCTH угол
нал бесконечной плоскостью (/ на рнс 4 3.г) Отображающая ф)ик-
Для у г га 9(Р. скругленного по дуге окружности, мак-
сныельная величина напряженности наблюдается в точ-
точке А (начало скругления). Коэффициент неоднородности
равен
1Де р и Я. — расчетные параметры
рнческнх размеров.
ы параметров р и h
Система уравнений D 42). D.43) трансцендеятиая. причем
ураыенхн гиперболнчвсии;. Точное решеше талой систем
(СтроВств эвачепнй Ь/г
На рнс. 4.14 прелстявлены значения коэффициента
1ороднпсти де для наиболее вероятных гепметрнче-
> размеров устройств СВЧ диапазона
D.45)
г,
в
IV
ю
•
1—,
Рис 414 Коэффициент
нородность поля сястены
тродов «скругленный угол
Рассмотренная система электродов и ее решение при-
ныы к элементам СВЧ устройств, нмеюшиы скруглен-
ь. прямые углы, перпендикулярные полю.
Закругленная кромка узкой щели в проводящей
п скости (рис. 4.9,д) была рассмотрена также с по-
полк [ью метода конформных отображении [93]. Макси-
м ьная напряженность поля а такой конфигурации при
L- углении в вне дуги окружности имеет место в точ-
¦№ \ (начало скруглений). Коэффициент неоднородности
в ом случае определяется из уравнении
D.47)
|Ц, /
На рнс. 4.15 представлена рассчитанная по D.46).
D.47) зависимость коэффициента неоднородности от гео-
геометрических размеров \ стронет в. наиболее вероятных
в рассматриваемых диапазона длин вот.
Данная система электродов может аппроксимировать
скругленные края неизлучаюикй щели, дроссельные сог-
дннения открытого и закрытого тина и т. и. ' '
j
N
\
S
Рис. 4.16, Коэффнш
нороднастн поля сист
¦градов ескрутлеввм
Одна из возможных кинфигураций — скругленная
ступенька на плоскости (рис. 4.9,е). Анализ [93] пока-
показал, что максимальный градиент будет в точке А и соот-
соответствующий коэффициент неоднородности равен
9. ¦ ?»„./?. 1- I Я|,Й7 D.48,
Значения параметров Яна Moiyi быть определены ил
системы уравнений D.49), D 50)
6,/г= ya'fa — i-[ Ttft'lno; D.49)
где Ь. г. А —геометрические размеры, ?
ность равномерного поля ?„=F'1—Ua)/ba.
, ?„ — напряж
/b
На рис. 4.16 лрквеДепа зависимость коэффициента
неоднородности q% от геометрически* размеров ступень-
ступеньке. Здесьыя=:&1/г.
Данная система электридов может быть применена
для скругленных ступенек с профилем, отличный от
окр жности (fc>l), и для скругленных углов при малых
асстоянпях между электродами.
4.5. Примеры расчета эл ктричбекой прочности
СВЧ устройств
xifi. 17).
1 Уголок в Е-плоскостн (рнс 4.17^), с
. Ь'— 8,7 и г=Л,75 им Облисп. т-
— вершина угла А— определяет положение крнгиче
я / — /в плоскости иаксниума поля Ed Полученная снеге
¦" " " перболичгскому цилиндру т
_ о /"Расчет ведется по формуле D.191 "или рнс." 4 Щв
Ж метр расчета, определяемый геометрическими рв?нерамн (см
17). ир=а/р=11.6. зпесь о=Ь'. (в=г. Соответствующий коэф-
оля ij—2,64, я расчетная относительная
¦^9.146. Эксперилептально гтаределевввя
а 20 кВт иди относительно пробввва»
апсть расчета а
ofnB— {P'.pr—P'm r.nl/P'imoii-lOO—15
2. Гофрированный волновод {рнс 4.17.61. (
ВО 5^ 45 mv. Ь^т*=2 ии Область вероятной кон_ г. —
вершивг выступов (точка А). Положение критического «чення 1 — Г
¦ плоскости максимума поля Ее. Полученная система электродов
онцентрвнъ
у система эл
( р .17,6). Поскольку иишндрнчгское ребро полукруг-
лот сечения, расчет критерия V ведется по формуле D 30) в q=2.
Опюснтельная пробивная иощность. Р'вв *^4},25. Эксперныентаяыто
опг'-1еленпая относительиая лроПпвпвп мощность (табл. II)
Pmt „,^=0,23. Погрешность рясчетв п?=4 н ггР'пг=Ч.5%.
3. Диэлектрический фазовращатель (рис А.17.в). сечение Ьолно-
¦ода 2.3X12.6 мм лвяметры стержней аг|к|^ мм Область верпт
nat концентрации поля А металлические стермтит *- резьбой, не-
cyuine диязектрнческую пластину Соответствующая критическому
ек< ( цжлввдру на плосяоетк (! ва рис. 417,в) Расчет критерия
f,,Br ведется по формуле D59) с учетом D.30) Поскольку в дян-
¦о* случае 1"(И1. то параметр и—1 я (?4 ¦ 1,17-=2,34 Соответствую-
щэ отноентс.чьвая прочпость Р' ИIВ Эксперннгптвльив
vhb P'hFd.—0.14.
4. Ксммутир ющии злежент (рис. 417л1. сече!
90X45 км. «=12 5. Й=ЗД г=3.0 ни. Области вероятной ыпщмггрв
цип поля — вершина штыря (Д| и скругленный >гол (Б) шлейфа
В TipOTHHOIIO ^ОЛСИОЙ ЩНроКОИ Степке ВОЛНОВОДА. COOT BeTCTBVUiUHt
KpHnf4 сене сечения определвют |ии1фнг^'рацин и подели критиче-
критических узлов 2 к 3 Поле на электроде 3, определяется толы» его
конфмлргцнен из-за значительного расстояния до Эх Понтону для
узла Д~ аналогом ввлвется одиночный выстщ иа плосиостн — эллип-
эллипа ряс 417.*) Расчет критерия q, отлется по фори>«
по графику рис 4 II Апв чогнчпо неоднородность >алв ?
эквивалентна закругленному углу над плоскостью (л ив рис 417,г1
Расчет критерия q,, »едетсн по формуле D 41) или по графит
рис. 4.14 Соответсгвгиио ллн ei расчетпыВ горангти и=и!р (aneci.
(>=Jt): Ui-^0,2, otivju iji^l.8.
соид B
D.27) и
T CpaKHfuuff рйсче^ных и жсг\ершлент.
'X длеюпржккой прочности некоторых gempouemt
Шпиком»*
Уголок и
Е-ПЛОСКОСТИ
Кочнутнрувл-
щий элемент
ТНВНЫЙ ШТЬфЬ*
Гофрироианиый
Еолтгавод
Диэлектриче-
Диэлектрический фаюпра-
вдатьль
i
1
I
1
1
Гкг рСопнче-
скнП цилиндр
Эллипсоид нв
Угол млд пло-
Ц11ЛНКДР НВ
Эллиптический
цилиндр на
Близки* высту-
2.64
1,R
2.5
2.0
2.34
р<
С.И
Г).«
0,16
0,25
A,25
0,1В
128
вию
гвоо
4400
500
ИОО
120
9500
flmo
160
0.125
[>,23
О, И
•
5,83
г.иб
г,|
2.6Н
Pump киио-
23ХШ
90X^5
23X12.1
а=8.7;
Р=0.75
п-2,Б;
р=12.Б
г=3;
Ь=45,С
^2.0
6-.—0.7
>!¦ %
7
6
4
13
15"
13
9
20
Дямятрпе-
СКНН фиОВра-
ЩелевоН иосг
Переключатель
барабанный
Переключатель
бярабанлыР.
Гибкий волно-
Герметаяро-
ванная секция
ll
1
I
'
I
¦
цилиндр на
плоскости
Эллипсоид на
Тоже
PKWT
2,A
2,2G
1Л
1.42
...
..77
P'liP»
0.2Б
С.Ю5
11,35
0.53
0.25
0,31
'л
440О
Б70
filOU
Ё00
1400
8400
'ж
3700
550
5400
G00
5000
4300
Р'
0SI
0.1'J
0.315
0,65
о.8Ю
0.24
«
2,17
2.3
|,те
1.35
1.RS
2.0
S0X45
44,6X12.0
90X45
23X10
«0X45
90X45
Ркитиыс
6-с=2
"-3.4:
р-5
3(^1,5
Й?в
(=0.5;
2A 5.0
г=1.П;
2d=6,0
в
2
4.5
6
¦¦
>
16
2,7
10
1В
IS
23
Продолжена* табл. П
Гсрхстнзвра-
Врвщающееся
БраЩающМси
Сочленение
ll
1
"
III
1
III
IV
¦вии
?s=
Угол над
Эллиптический
Узкая щель
гл^ко^ью
Стуваьпн
Узкая щель
Угол над
ПЛОСКОСТЬЮ
1.4
2.3S
¦2.2
1,9
2.75
2.1
1.9
2.0
-..
0.Б1
0.18
0,21
0,26
0,13
0.24
0.28
0,25
'Ж
9000
265
350
410
12D
440
510
460
Эмвчиячт
70D0
360
170
0,4
0.24
0.1М
1.58
2.05
2.Э
90X45
2в.БХ12.«
С2Э(С„>
D29 (С.,)
23X10
ШЧ?„)
Ю0(?„>
D30 (Е„)
5»
г=Э.О;
Jd=6.0
г=0.5;
с=1,г5;
6=1,5
г-0,1
2d=~D.B
г=о.Б:
Ь=10
ftr=0.2;
6,= 1.0
тгктвеп
И,Б
13
16
24
№
30
, параметр ил=0.067 в <?и>=2.5 Из с
q,, видно, что определяющей будет е
я Соответственна ffii»=Z.5; /''01
на Рщ, Dn=n,l4Z. Погреш
Соответствующий 4
ii»i=O.I6. Экспе-
ГсГ^Щ,. """¦"""' г '"' --"¦'"¦ "OfPauwtTb paiien «в
5. Вращающееся сочинение (рис, 4.17.Й). размеры ввлноаодов
28.SXI2.6 мм. С-29 мы. fi=0,5; r^=l.25. Л^1.5 ын. Ойлвстя негш-
итиой концентрации поля—точки Л и В. Соответствующий крип-
ческоуу узлу I аналог — 90° нын сиругленныП угол на расстоянии 6/2
от услиппон приводящей плосносги С — нзобрэиек
IZj* Расчет критерия qg ведется но й
рис- 4-14. Расчетный параметр Uj=rj\
ie D 41)
"таг
B8.5Х
лог (J на рис.4 17,д)—цилиндрический выступ—ребро на бесконеч-
бесконечной плоскости в поле Е$и Расчет критерия qи ведется по формуле
D.30) или по рис 4.11,6 Расчетные параметр un=b/(wl.2, соот-
води с волной Е,\ @.29 "мм) составляет —3G0 кВт Сравнение двух
величин д показывает, что ОЕрсделяющим будет значение qi. Таюш
образон. расчетная прочность устройстна f-в? т=0.№
Эксперииентя иная ве.-нпвна Р'вРОС=0.Ё4
Погрешность расчета сь?=г!3 н of"Ep^26%.
Б. Гибкий (поэвенкоеьш) волновод (рис. 4,17,е). сечение волно-
волновода 90X45 им. 2Л=5,0 Н f=0.5 лы. Область вероятной концентра-
концентраций поля тачка А Соответствующий модели критического сечения
аналог 2 изображен тем. же Расчет критерия fl ведется но формуле
D.46) или по графику ряс 4 15. Расчетный параметр u=f/d. Соот-
ветствепло ф^=2л> и г вр ^^0,2?, ^ксперни нтальнйя велнчнда
Р'.р О»=0.285. Погрешность расчета о?=6 и nA"nIf=12%.
Полеченные расчетные данные г
!ктроствтичи:к№ аналоги.
ы расчггны
о рнечетн
^..„гвететиую-
вганчииы критерия щ.
~ эксверныентальньи-
одлородЕЮсти C
0% 198].
— - та п
1. Эюпернневтальнвя i
вращателей оказалась веем
... 13%) объясняется влия
2. То же самое ми
¦ми-ошибка 11.5%.
3. Экопсрнмснтальд
залась ниже расчетной (oilik
ia ксугорого
осителыюй пробивной чощ-
счета оказалась выше ука-
ныПкп объяснимы и поажо-
когфектнровку.
же pacwiHnfi. Эта ошиОка (В ..
мектрнка. которое в расчете не
и случае герыетиэнрукицях сек-
15%) Это обьясняетгя тел, что
оБстонтельством
t. Полобиаа'оогрешя
нтом, для которого критическое
лны Ян.
4. Расхождение иеи*ду .
щающихся сочленении объясняются, по-видныоыу,
при расчете наиболее опасного критического сечгния /—-/
валось некоторое уветьшеине дсЛ-гвительноИ средней на-
нап // чтио уже трансфорнирован-
р р
не учитывалось некоторое увет
пряженности Ев волны тяпв //
uieficH и тип ?.1.
одяоВ сторон
асче
u .1
Указанные прныеры.
факторов, которые трудно оце
и, >ч«т внутренних /d,u и т п. Оинако следует з/
что необходимость в подобной корректировке отсутствует, посколь-
прниять кяи вполне грнемлемукт Это тек более справедливо, если
иисть в виду, что егдкдартнаи измерительная аппаратура практиче-
практически редко обеспечивает измерение СВЧ м
ика была
н устройстваи. представляющий собой
к устройств общего при? " " "
пена к различный в
т быть распространена
_ . * СВЧ устройств
к ко всем устройствам с сиередоточеи-
ио допустить электростатическую внн-
Призаакн соотвегствия СВЧ устройс
вз>ны в расчетных даниы?
_.. j. Дальнейшее исиояьзова!
¦волит рассмотреть дрлгне устройства и полъчнть
Электрическую прочность системы можно повысить
цвуня пртями: оптимизацией конструкции устройств,
вводящих в лее, и реализацией спеш'вльных мер по по-
повышению электрической прочности системы в целом (по-
(повышение давления в тракте, применение специального
диэлектрического заполнения, я также использование
с\ем защиты). Второй путь является более эффективным.
Рациональное комплексирование систем является об-
обшей задачей ори их разработке.
5.1. Оптимизация конструкции устройств
Результаты экспериментального исследования
устройств широкого применения показали (рис. 3.12J.
чю поленика ич них имеет электрическую прочность ме-
менее одной четверти от прочности соответствующей регу-
регулярной линии (?',ф<0,25)- В то же время соответствен-
соответственно уровням современных генераторов можно принять,
по-видимому, в настоящее время за приемлемую вели-
величину параметра электрической прочности устройств
Р'щ&?0,Ь. Лишь одна треть существующих типовых
устройств высокого уровня мощности удовлетворяет это-
этому требованию. Поэтому первым шагом по пути усовер-
усовершенствования устройств является такая вариация внут-
реинн/ геометрических размеров, которая уменьшила бы
неоднородность в критическом узле до величины, соот-
соответствующей Р',^0,5.
Естественно, что в ряде случаев реализация геомет-
геометрических разыероп. определяющих оптимальные усло-
условия, оказывается затруднительной по некоторым практи-
практическим обстоятельствам (KOHCTpjKTHBiioro илн техноло-
технологического характера).
Практика показывает, однако, что большинство узлов
позволяет выполнить необходимые условия, чтобы коэф-
коэффициент неоднородности поля rie превышал требуемой
величи ч<141
радиус ск
6) Уг
б
Гнвхнй
Дли того чтобы обеспечить P'np3fl,5, вео6и>ди»1о сделать
ия г5?2.5 ик при зазоре 2(а?4,0 нн (рис. 4.17,е>.
С плоскоств (табл. 17), 23X10 ин. рСц=0.125. Дли
-""(трнческую прочность идвое до Р'ир^0Д
.. r^2 MW гри размере Oi=
Большое разнообразие типов и конструктивных мс-
дьфикацнЙ устройств высокого уровня мощности пе оо-
воляет определить заранее жесткие нормы геометриче-
скик соотношений, обязательных для тех или иных
устройств. В каждом конкретном случае вопрос должен
быть рассмотрен индивидуально. В то we «время можно
с jeTHTb несколько общих рекомендаций по оптимиза-
1 и конструкций, которые сводятся к следующему: все
ь эмкн и углы необходимо скруглять; более рациональ-
i ми являются симметричные системы неоднородностси.
пример, «угол -угол» по сравнению с системой
,гол —плоскость»; для узкой неиэлучающей щети, по-
ынмо скругления кромок, следует стремиться к уменьше-
уменьшению зазора; для устройств с нопощением СВЧ мощности
необходимо свести до минимума перегрев Наконец, для
устройств с диэлектриком недопустимы возможные зазо-
зазоры между диэлектриком и при пегаюпшмн к нему ме-
металлическими элементами. Рекомендуется тбегать
использования полистирола, некоторых сополимеров сти-
стирола и других диэлектриков с низкой теплоустойчивостью
или обладающих неоднородностью по составу, ннэкнмн
механическими качествами и т. д Для полосковых
устройств с диэлектрическим заполнением предпочти-
предпочтительнее использовать толстые скругленные полоски.
Приведенные выше материалы свидетельствуют о той,
что резервы конструктивной оптимизации имеются почтн
ьо веек случаях.
5.2. Способы повышения электрической прочности тракта
Наиболее доступным способом повышении электри-
электрической прочности тракта нвитетея повышение дав-
давтого обы увелч
веобмзднмо сделать радиус скругле
=8,7 ны (рис. 4.1 Т.о) Поскольку в данном элемеьте вслячииа а,=
—8,7 мм определяется ьлштрячссжой нвстроПкой. а величиям i~2mh
тыноло я еличина P'at^d3,3 будет, по-види-
по-видиен та упрочнения Кт, соответствующие описанной
. 2 зависимости пробивной мощности от давлении
1), приведены на рис 5.1- Здесь
Из графика видно, что, повышая давление в 2,5 раза,
можно обеспечить повышение прочности в 4 разе.
Однако возможность этого пути серьезно ограничена
механической прочностью волноводных элементов. Если
допустить возможность упругих деформаций волновода
год воздействием избыточного давления (что исключает-
исключается для таких устройств, как феррнтовые, прецизионные
и некоторые другие), то следует ограничиться величи-
величинами давлений, приводимыми в табл. 18. Этя величины
соответствуют упругим деформациям волноводныд труб.
в,!»!"
Рнс. 5.1. Повышение влек- Г впцдч
трнческой прочности тракта ¦*|д^ * — ko
увеличением давления внут- JS?*™1?1
лг/>*.
Таблица
Макстюлвно допустимы? избсашушы" давления
для ЛОЛНОвидОВ раЗЛиЧИЫХ Г?Ч?АЫ&
7,2
16,0
28,5
э,*
12,6
24,0
34,0
55,0
Толиин. стешш
л
0,5
- 1,5
2,5
А
_
1.5
2,0
2,5
3.0
Л
3.5
2!3
1.0
0.75
0.3
А
2,0
0.8
0.5
0.1
Сопоставляя эти данные можно заметить, например.
что необходимость 4-кратного увеличения допустимой
мощности и соответствующего повышения давления
в тракте в 2,5 раза (или 1S1 кПа относительно нормаль-
нормального) может быть признана приемлемой для сечения
23У10 мы. по не приемлема для сечения 72X34 мм .
В i добных случаях приходится искать конструктивные
pel ния: применять волноводы с увеличенной толщиной
стенки, специальные конструктивные ребра жесткости
(piir 52) н.пндр. 113*1-
Повышенное давление в тракте обеспечивается с по-
помощью соответствующих систем наддува, в состав кото-
которых обычно включают помпу или компрессор, элементы
контроля и автоматического управления. При небольших
овъемах тракта помпа может быть заменена баллоном
сжатого воздуха. Элементы контроля состоят из инди-
индикатора величины давления (манометр и т. п.) и датчи-
датчиков на максимальную и минимальную предельные ве-
хвчнны избыточного давления. Эти датчики включаются
в схему блокировки и обеспечивают защиту тракта от
повышения давления выше предельно допустимой нор-
норны или отключение мощности (при падении давления
ниже предельно допустимой нормы). Элементы автома-
автоматического управления содержат клапаны и датчики. Оцл
настроены на крайние значения интервала рабочего дав-
давления и поддерживают давление в тракте, включая и
выключая помпу или клапан баллона.
Примерная слемн системы наддува прнееаеяв не рис. 5.3,а Си-
Система включается одновременно с включение* лакала передающей
аппаратуры. При достижении нижнего \ровян интервала рабочих
плгппЛ соответствующий датчик давлении снимает блокировку
вк. чения ныгоного напряжения перегвт ткя При достижении
i\h го уровня интервала рабочих чав.-ioniift прекращается начдчв.
Пр нормальной раСптр система обеспечивает поддержание постоян-
i ia интервала рабочих давлений При аварийней ситуации, если
давление в тракте превысило герхмий уровень рабочего давления п
ри стравлпваег избыток давления
Для того чтобы устранить возможность попадания
В тракт влаги, в систему наддува вводят специальные
Осушительные патроны (рис. 5^,в). заполняемые гид-
гидрофобными веществами (селикагелем, цналнтом). По-
»тому в случае применении баллонов целесообразно
вместо воздуха использовать сухой азот, электрическая
прочность которого почти равна электрической лрочнос-
¦ти воздуха.
-1*5 137
Рис. 5.3. Снстеы» шлпува и осушения тракта:
л без ццядомщш: б — ехена с шпкулвцнеН: в — вл»гот
Более эффективную осушку (особенно для работы
в условиях с повышенной влажностью) можно получить
с помощью циркуляционной системы наддува (рис.бДб)
Такая замкнутая система снабжена дополнительно!"
помпой, обеспечивающей периодическую прокачку воз-
воздуха через осушитель. Целесообразно, чтобы система
наддува имела резервный осушитель и приспособление
для подогрева л просушки. В настоящее время проыыш-
"яностыо выпускаются системы наддува типа СОВТ.
¦I >рью могут быть рекомендованы для многих приме-
Для обеспечении нормальной работы системы надду-
ч волноводный тракт делается герметичным. Гермети-
•ция тракта обеспечивается применением соответствую-
—- фланцевых соединений я специальных герыетнэи-
р> -щих секций В большинстве практических случаев
у гтея ограничиться использованием стандартных гер-
ш< ичных фланцев, но иногда возникает необходимость
использовании нетиповых фланцевых соединении [43,
39]
Разработка герметичного фланцевого соединения ее представ-
лл гобой конструкторской яадачн особой сложности. Однако сле-
д\ обратить внимание по драйней мере на два обстоятельства.
Hi loe, столь же очевидно?, сколь и часто упускаемое hi виду.
основной суще^гвеннос для заводоа-доготевнтетей. При неблага-
р тном сочетании дсятусков иа размеры капнвкн под реаиаовую
AipoKJiajmy pa флвтще и проклвдхч нарушается контакт в волноло-
д^з~ Это приводит к прибою, следи когорото можно увидеть звтьн
va ерцад флапцев. Второе: некоторые резины (НО-68 и др) в сжа-
сжато состонннн выделяют избыток илвстнфпкаторв, который расте-
«зется по контактной торцевой поверхности флвица или контактной
1фокладК1г Это япляегся припииоп пробоя при высоких значениях
редней мощности.
В герметизирующих секциях обычно используют ди-
влектрнческий разделитель. Материал, используемый
¦я этой цели, выбирается в записи мости от условии
ксплуатаций, но наиболее гтрниеняемымн являются слю-
а, фторопласт, кварц или СВЧ керамика. Простейшие
олноводные герметизирующие секции представляют
обой дроссельное фланцевое соединение с диэлектри-
еской пластиной. В атом случае выбор материала плес-
вны определяется компромиссом между необходимой
допустимой толщиной для обеспечении требуемого
явления и минимального вносимого пластиной рассо-
ласования. Поэтому слюдяные пластины предпочтитель-
предпочтительны для волноводов малых сечений, фторопластовые—
для больших сечений. Слюдяная пластина толщиной
0,05...0,1 мм выдерживает длительно избыточное дав-
давление до 3.5- 10s Па на волноводе сечением 7,2X3,4 мы,
до 1.5-10» Па на 23X10 мм н до 1,0-Ю1 Па на 28,5Х
Х12.6 мм. Фторопластовая пластина толщиной 1,0 мм
ыдерживает длительное избыточное давление до
.5-10s Па на сечение 28,5x12,6 мм; толщиной 3.0 мм
л O,f>0-106 Па на сечение 90X45 мм. Превышение до-
Лустиного Давления приводит к «
ны из фторопласта за счет холодной текучести материа-
материала, для слюдяной пластины возникает опасность рас-
расслаивания. При изготовлеиии пластин из слюды следует
применять слюду марки «СВЧ» (спсрлвысокой чистоты)
и отбирать образцы без видимых трещин.
Наибольшей механической прочностью и надеж-
надежностью обладают герметизирующие секции в виде квар-
кварцевых или керамических окоп, выполняемых с помощью
вакуумплотных соединений. Последняя конструкция яв-
является предпочтительной Для герметизации коаксиалъ
них волноводов [140, 142, 143].
Проверка герметичности тракта осуществляется по
падению давления. Отыскание места утечки наиболее
удобно производить с помощью галоидных теченскатс
лей (типа ГТИ-3, ГТИ-6), обладающих высокой чувстви-
чувствительностью и прштых в эксплуатации. Нсмолыовашк
этих приборов (рнс. 5.3.г) оказалось песьмн эффектне
иыы как для трактов больших сечении (с малым избы-
избыточным давлением), так и для трактов очень малых ci
чений (с большим избыточным давпеянсм). Течилскате-
ли могут быть применены при заполнении волноводного
тракта не только элегазом (или другим газом), по и
воздухом.
Эффективным способом повышения электрической
Параметры некоторых шве
Полистирол
Фгорооласт-4
Пенопласт
К.МРВДМ* СТек.
Снттал СТ38-1
Брокерит-9
Керамика 22ХС
Ппцмечян
г,Б...2,6
И.О...2.1
З.Й
7.25
6,6...6,8
9,Е...9,4
не. У всел
(¦> №•
3...4
1...3
2
2..-С
10
рдых диэлектриков
Э ырняе
пив npm-
М
41
112
10
БП
приведении! дизле
7
10...20
0,С4
0,04
0,05
0.06
ео...в5
зол
60...70
стога из
мерення 10 ГГц.
фф
прочности
пряженность которого выше, чем у воздуха. Такие дн
электрики могут быть газообразными, жидкими и твер
дыми. Помимо основного требования — высокой электрн
ческой прочности—диэлектрики должны обладать ма-
малыми потерями на СВЧ, отсутствием частотной диспер-
дисперсии электрических параметров, должны быть химически
инертны, стойки по отношению к к.пнматическя-механи-
Хотя свойства ряда тбердыл диэлектриков (папрн-
мер, фторопласта, кварца н некоторых друшх, см.
табл. 19 [64]) удовлетворяют указанным выше требо-
требованиям, сложности технологического характера делают
Действительно, для диэлектрического заполнения
обязательным является отсутствие каких бы то ни было
воздушных включении и зазоров между диэлектриком
и токонесущими частями. Такой зазор уменьшает допус-
140
даемый выигрыш. Сложность же механическое обработ-
обработки кварца или текучесть фторопласта, различие коэффи-
коэффициентов линейного расширения диэлектрика и металла
и т. п. создают столь серьезные трудности, что этот путь
ыожет бить принят лишь в исключительных случаях,
ратуры.
Более перспективным является применение жидких
диэлектриков, получившее в последние годы признание
в отечественной и зарубежной практике [57—62]. Осо-
Особым достоинством этого способа является то, что он
позволяет одновременно решить и задачу интенсивного
охлаждения устройства. Поэтому применение жидких
диэлектриков предпочтительно для устройств с погло-
поглощением СВЧ энергии, например, ферритовых [59, 60,
62] Жидкости, применяемые для заполнения, помимо
указанных выше требований должны быть неполярными.
Таким требованиям удовлетворяет ряд диэлектриков
[57—61], параметры некоторых приведены в табл. 20
[59, 63]. Предпочтение обычно отдают нона ну (CiHM)
ЧРТУ 6-09-4611-67-ХЧ.
Хотя с практической точки зрения применение жид-
кнк диэлектриков с целью повышения электрической
прочности представляется более простым, но этот путь
имеет свои сложности, например? необходимость специ-
специального компенсатора-расширителя и др. Все же этот
способ получает все большее применение. Б качестве
Параметры некоторых j
Таблвпв
х диэлектриков
Мщжн
Грансфорка-
Пекан
Гексан
¦
2.1. ..ЧЛ
2.
...2.3
.97
,ВН
.90
,92
.92
г
20.0
3).«
7.Р
5.0
3.4
37.П
7.fi
l
IS
1111 i a
Ilil
70
ISO
174
???
—45
-53
№
БО
10
50
10»
10"
2-10»
огди комбинируют оба спосо-
а второй спо-
:тве способа i
>ных устройств. По этой
факт спецналь-
частичпого применен!
ба одновременно.
Следует заметить, что к
собы применимы лишь в i
электрической прочности с
же причине они требуют ч
ных переходных элементов.
Свободным от таких недостатков является способ,
основанный на применении газообразного диэлектрика.
Этот путь допускает заполнение всего тракта, что обес-
обеспечивает существенное повышение электрической проч-
прочности системы в целом. В качестве газовой изоляции
наилучший результаты обеспечивают так называемые
электроотрицательные газы. В таких газах происходят
эффективный процесс захвата свободных электронов
нейтральными молекулами на начально!) стадии разви-
развитии разряда, поэтому эти 1аэы обладают высокой элек-
электрической прочностью даже при низком давлении. Наи-
Наилучшими являются фтор и хторсодержатис газы [67.
102 103] (табл 21).
Известны фреоны, электрическая прочность которых
намного больше, чем у воздуха, но предпочтение отдают
так называемому «электрическому газу» или элегазу,
который получил в последнее десятилетие практическое
применение п технике высоких напряжении 1101—105.
141] и на СВЧ [44, 56, 106, 127]. Особенности исполь-
использования элегаза на СБЧ ра
на
Пирометра некоторых фтореодержащ
диэлектриков
Фреон-12 CCI.F,:
"ексафгорид серы (апе-
газ) SF.
Фреон-142 C.H.C1F,
л?
200.0
142,5
121.0
146.0
100.5
130
не
89
73
54
т™гкря™
—38
—29.8
-63.В
—9,8
им*
Дилскк
-иг
¦г/с*
2,5
8.7
5,8
Наконец, можно указать некоторые другие методы
повышения электрической прочности, не получившие ши-
широкого при непения, но используемые в отдельных слу-
случаях. К таким методам относится применение посто-
постоянного напряжения, приложенного к системе элек-
электродов. Этот способ применялся, например, для повы-
повышения электрической прочности вибраторной антенны
[47, 13GJ. Лр}гой метол npofljnha |азоы (возду-
(воздухом) — применялся для повышения электрической проч-
прочности выходных окон высокомощных генераторных
ламп. Однако возможности этик и некоторых других
методов весьма неопределенны, поэтому они применяют-
применяются ограниченно.
5.3. Применение элегаэв
Элегаэ (SF6, шс^пфтористая сера, гексафторид се-
серы, hcxaflouride sulfur) пашет широкое применение
в качестве диэлектрика с повышенной электрической
прочностью в области шпкнх частот и пстоянного тока.
Элегаз применяется в высоковольтных и коммутирую-
коммутирующих установках для заполнения магистральных линий
протяженностью в несколько километров и т. п. В по-
последнее десятилетие элегаэ стал применяться в области
СВЧ. Первые работы в этой о(пастн выявили возмож-
возможности элегаза и привлекли к нему внимание разработчи-
разработчиков СВЧ аппаратуры. Однако эти исследования носили
частный характер и давали разноречивые результаты.
В табл. 22 представлены некоторые результаты по опре-
143
Велтина коэффициента улртне
Волноводный фильтр
делению коэффициента упрочнения1, приведенные
в оп\ б ли кованных работах различных авторов.
В более детальных исследованиях на постоянном
токе было устаповлепо [10-1]. однако, что возможности
элегаза существенно зависят от характера электриче-
электрического поля (чистоты, однородности) и других факторов.
Приведенные п тяйл. 22 данные стнпсятся в основном
к случаю однородного или почти однородного поля Не-
Некоторые результаты, полученные на СВЧ ([44], напри-
например) дали разброс коэффициента упрочнения от 15 до 2.
Это обстоятельство чрезвычайно важно для разработчи-
разработчиков СВЧ аппаратуры, поскольиу большинство элементов
и тракт в целом представляют собой комплекс разно-
разнообразных сложных устройств, большинству которых при-
присущи резко пеоднорочные поля. Обычно условия одно-
однородного или почти однородного поли, характерные для
регулярного волновода, представляют скорее исключе-
исключение, чем правило, для типового волноводного тракта.
Поэтому возможная зависимость коэфффнциента
упрочнения от степени неоднородности электрического
лоля представляет большой практический интерес.
Кроме этого, представляется важным знать характер
зависимости пробивной напряженности элегаза от дав-
давления, температуры, а также степень эффективности
• Под к
'ношению пробивной мощности ч
проБипп "
Техника эксперимента соответствовала описанной
в гл. 2 Исследования проводились с элементами раз-
различной сложности: регулярными секциями суженных
волноводных н коаксиальных линий, волповоднымн
электродами различной конфигурации и типовыми эле-
элементами. Измерения проводились в сантиметровом и
дециметровом диапазонах длин волн.
Влияние давления. На рис. 5.4,о представлены зави-
зависимости Рпр(р) я случае 50%-ной смесн элегаз — воздух
для некоторых элементов различной сложности в диа-
диапазонах 3, 10 и 40 см длин волн. На рисунке показаны:
1 — коаксиал 13,4/1 мм (Х=40 см), 2 — электрод полу-
полусферический (Я=^ см), 3 двойной направленный от-
вствитель (А=10 см). 4 — электрод конусный (?.= 3 см);
экспериментальные результаты (точки) и аппроксима-
аппроксимации полученных зависимостей (прямые). Дли удобства
сравнения различных данных график построен в отно-
w t
/
210'
Рис. 5.4.
"аэя
±±
Р.
е
Завис
относ
С ВОМУХО!
ВГО° Га
МОСТЬ П|
и*чиси
снтсльных величинах пробивной мощности (Р'щО. рав-
равной отношению измеренных величии при данном даьле-
нии элегаэа (J*npSF.)t> к величине пробивной мощности
элемента, за по шейного воздухом, при нормальном дав-
дав(РО
ении (прннвОясш
На рнс. 5.4,6 представлена з
нон напряженности элегаз^ ут
аппроксимация (сплошная ли
соответствует 100% SFe и получе
приводимых далее.
Полученные результаты позволяют
щие выводы:
1. Зависимости Рпр(р) одинаковы
исимость для пробив-
и j и усредненная ее
). Эта зависимость
на основании данных,
сделать следую-
следуюэлементо
ворнтслы
1тер зависимостей Pepip) и Ещ,(р) УДОвлет-
алпроксимируется выражениями
1 соответствует
исимостям для 1
духа.
3. Пробивная напряженность элегаза в указанном
диапазоне частот при нормальном давлении порядка
82—84 кВ/см, т. е. в 2,7 раза больше, чек воздуха.
Влияние концентрации элегаза. Зависимость Л',=
=F(V%) иллюстрируется рис. 5.5, где значение
f у ~ (^щ SF,'^4> Ивд)нЧ«1 E.3)
вычисляется при нормальном давлении. На рисунке
обозначено: / —коакснал 13,4/4 мм. 2—полусфериче-
2—полусферический электрод (волновод 23x10 мм), 3 — полусфериче-
полусферический электрод (в резонаторе 72X34 мы), 4 — резонатор
н 5 наиравтениый ответвите.'!ь (волновод 90x45 мм),
С—- конусный электрод (волновод 23ХЮ мм). На
рис. Ъ.Ъ,а кроме результатов, полученных в данной рабо-
работе (/, 2, 5, 6), приведены для сравнения некоторые дан-
данные других авторов C, 4). Как видно, результаты на-
находятся в хорошем соответствии.
Эти данные свидетельствуют о том, что шид зависи-
зависимости Kj(V%) одинаков для различных элементов в ши-
широком диапаэоие частот. Это обстоятельство иллюстри-
иллюстрируется рис. 5.5,6, на котором приведенные выше резуль-
результаты обобщены в виде зависимости относительной ве-
величины K't=F{V%), нормированной относительно мак-
го за w so со 70 во vs ,%
Концентрация зяееамг в ъмеа меая-Воэду/
«шального Ksшшс (при 100% SF,),T. e.
К',=(К,)„%.'(КУ)|1Ю%. f5.4)
На рис. 5.5,6 показаны экспериментальные результаты
я расчетная аппроксимация (кривая), соответствующая
соотношению
JO-CVW. E.5)
которой с хорошей точностью удовлетворяет указанная
зависимость.
Влияние степени неоднородности электрического но-
ноля. Данные, приведенные на рис. 5.5а, свидетельствуют
также о той, что абсолютная величина коэффициента
упрочнения существенно
зависит от характера эле-
ся от 10 до 2 раз На
рис. 5.6 изображена завн-
«шесть коэффициента
упрочнения К, от коэф-
коэффициента неоднородности
электрического поля ц
для исследованных эле-
i различной слож-
Результаты под-
подтверждают, что эффек-
Рнс. 6.6. Завпсвность коэффишен- тнвность элегаза резко
)
11
\\\
V=>0O%Sft
Гп
--
_|
год
налает
¦s. .« ем, f) Jl^i,s са.
Следует признать, что прн более внимательном рас-
рассмотрении этого вопроса можно было ожидать подобное
явление и физика его может быть объяснена природой
действия электроотрицательных газов Повышение элек-
электрической прочности таких газов, как известно, объяс-
объясняется особой способностью их молекул к активному за-
захвату свободных электронов. Например, коэффициент
сродства галоидосодержашнх газов не два порядка вы-
выше, чем у воздуха. Выигрыш с точки зрения электриче-
электрической прочности прн применении такого газа в снеси
с воздухом, естественно, будет тем выше, чем выше от-
отношение .V/n концентрации молекул газа К относитель-
относительно числа свободных электронов п. Отсюда следует, что
при одной и той же средней объемной концентрации N
для неоднородного поля по сравнению с однородным
14В
полем за счет местного увеличения концентрации элек-
электронов л в Области неоднородности эффективность газа
будет значительно ниже, а выигрыш соответственно
меньше'.
Влияние температуры. На рис. 5.7,а представлены ре-
результаты исследования для одного из элементов в тем-
температурном интервале —40... +130° С в случае 50%-ной
концентрации элегаза в воздухе. Пряные на рис. 5.7,а
соответствуют зависимости Рпр(р*"), аппроксимирующей
Рис 5.7. Зависимость проЯнжнов
iruiniTOCTH от температуры прн по-
яв~яо зввтывт SS««, •VLm «q
р.тои рт.оп. давленнн.
экспериментальные результаты с достаточной точностью.
На рис. 5.7,6 изображена зависимость пробивной мощ-
мощности Р'пр от температуры для указанного случая:
Р'п*=(Рщ.МР.<р. E.6)
где (Pnp)i я Рщ,—соответственно пробивные мощности
прн данной температуре и 20°С.
Следует отметить, что мвисимость от температуры яе оказа-
оказалась равной РвртСЛ Г'1/1, т е. аяалОгичиой зависимости от дав-
давлении Па-одднному, ? днянои случае соответствия мелду Ркр{р)
1 В этан аспекте очень наглядный л уВедптелъныК смысл при-
приобретает введенный* Uleaflrepnv [67) коэффщ
изоляции ч равный \fq. т е -
ц р
у неодноровностм п
и Р-р(Т) пет. постольку, поскольку расемвтрнпиеыьй слуилП отяо-
слтс! к 50% смеси двух газов, тсриодпиэиичикие свойства которыт
PtAT) вудет схоже» c^BiKKMOCTMo'/Lrbi). как *го было в случае
Полученные результаты подтвердили, что примене-
применение элегаза дает ощутимый эффект, однако дли оценки
ожидаемого практического результата следует учиты-
учитывать указанные выше факторы.
Следует отметить, что по соображениям технический
R экономическим, целесообразно применять наполнение
не чистым элегаэом, а смесью. В случае, например,
50%-ной снеси обеспечивается К'у=0.8 от максималь-
максимального при значительном упрощении многих требовании
к системе газонаполяения и удешевление [56].
Оценивая получаемы!) Ку при заполнении элегазом,
следует иметь в виду существенную зависимость К, от
характера электрического поля Поскольку при разра-
разработке элементов стараются избегать нгличвя резких не-
одяородиостей. то минимальные величины Jfj=2... 3,
по-внднмому. в большинстве практический задач будут
отсутствовать. Поэтому для элементов, которые имеют
относительную прочность Р'пр^О.] и соответственно
g<?3,2, среднюю величину коэффициента запаса можно
принять равной (ряс 5.6) Д,>6.5 лля 50%-нон концен-
трацнн элегаэа, /Ст^8.0 —для 100%.
Исключение составляют элементы с принципиально
присущими им резкими неоднородностямн (штыри
в фильтрат и т. п.). Следует иметь в виду, ято и в этих
устройствах необходимо принять возможные меры кон-
конструктивного характера для снижения коэффициента Q.
в не полагаться только на во-шожности элегаза
При применении системы газонаполнення необходимо
обеспечить однородность заполнения и исключить воз-
возможность образования воздушных мешков. Поэтому сле-
следует рационально выбирать точки подключения системы
газонаполнения к тракту.
5.4. Некоторые вопросы проектирования
сложных СВЧ трактов высокого уровня мощности
Разработка системы высокого уровная мощности за-
завершается определением реального коэффициенте
запаса электрической прочности и в случае необходи-
необходимости — выбором мер. обеспечивающих требуемую i
личину коэффи!—
Расчет электрической' прочности тракта следует вес-
, исходя из максимальной рабочей мощности Ррнше я
шинельной пробивной мощности Рщи, элементов
акта, т. е. пробивной мощности наиболее слабого эле-
:ята в предельных эксплуатационных условиях.
Ко8фф»цяент sanaca электрическое
рочиоств тракта равен
E.7)
д К
тракта,
Допуст
Рташн/Ррнмс — собственный запас прочности
a As—необходимый коэффициент упрочнения.
КЗ*! Поэтому если Рврыа>
>Ррижкс и, следовательно, собст-
собственный запас прочности тракта
К,>1, ТО в дополнительном упроч-
ненян тракта нет необходимости,
т е можно принять К*=\. Если же
К,<] то минимальное значение
Ks=i//fi- Эта величина определи
степень требуемого повышения
электрической "прочности, которое должно быть обеспе-
обеспечено каким-либо способом.
Минимально возможная величина пробивной мощнос-
мощности Ршрюа ДЛй элементов тракта определяется с учетом
таких факторов, как давление, температура, рассогласо-
рассогласование, и оценивается с помощью соотношений, приве-
приведенных в гл. 2, или с помощью графиков, изображенных
на рис. 5.8.
151
й про-
прол
Здесь kP. k, к А„ соответствуют частным коэф-
коэффициентам снижения электрической проч-
прочности- Кроме перечисленных систематических факто-
факторов, следует учесть также случайные, такие как дефекты
монтажа системы, отклонении от номинального режима
работы передатчика н др. Эти факторы учитываются вне
деинем дополнительного частного коэффициента, равно-
равного *с=0,66 - - - 0,5. Возможные специальные требооаиия
должны учитываться особо
Определение возможной величины миним
бивной мощности тракта Рщ, „,„ должно быть
для нескольких наиболее опасных участков, которым со-
соответствуют элементы с минимальной электрической
прочностью или предельными эксплуатационными усло-
условиями. Такими могут быть элементы, работающие в усло-
условиях максимальной температуры (эквиваленты антенн
и ослабители), максимального рассогласования (ферри-
товые устройства), минимальною давления (излучате-
(излучатели) н др.
Для каждого из рассматриваемых случаев опреде-
той k и рассчитывается суммарный коэффициент сниже-
снижения прочности, равный
*,=VM. E-8)
где Рпр—пробивная мощность элемента в нормальных
условиях.
Наиболее вероятное сочетание частных коэффициен-
коэффициентов снижении определяется конкретными условиями.
Если для упрочнения тракта применяется повышен-
повышенное давление воздуха или элегаза, то величина соответст-
соответствующего давления может быть определена с помощью
рнс. 5.9. График изображает зависимость коэффициента
упрочнения от величины pi/pa превышения давления
внутри тракта pi над давлением снаружи р*. Значения
превышения давления, меньшие единицы (для элегаэа),
соответствуют парциальному давлению элегаэа в смеси
с воздухом и эквивалентны процентному содержанию
элегаэа в смеси. Например: 0,8 означает 80%, 0.5 — 50%
и т. Д. элегаэа в смеси с воздухом при нормальном дав-
Прнмеры, расч
н ЛЯ рйбОТ
Прнмер, р е сечением 72x34 ым. предназна-
предназначенном ДЛЯ рйбОТЫ В УСЛОВИЯХ iiM*wr^-\-5CPC, p=GOO Hftl рт. СТ
(80 кШ), «св—2 и Рвн.„~1 МВт, саыын слабый элементом
является ферритовый вентиль — Рл*=2 ПВт
По графикам рнс. 5.8 определяем соответствующие значения
частых «оэффнциеитон еннжевнп прочнети: ktsj}ji7; ft|.=0,7; kt—^
=0,55; прннныгеы /ti=0,66.
В етании условна соответствует *lt -^ *pMb нлл
и ^,с;ев1. =0.7.0^5-С,бе =0,255. Отсюда />„,,ш=
=2-0,255=0.5 МВт. Соответпвешго этому минимальная велн-игая
требуемого коэффициента упрочнении Kt^'2.
По рнс. 5.9 спредЕлп^ы соответствуюш)к> ввлнпниу превышейнв
давления воидуча в тракте pJ/p^-1.6 иди {р\—pi)/p.SP.«.
=rf),45 аты. изб. Пилучец&ая велячнаа р..в допустниа для даавого
Б бей1^чсна систеион иаддува.
ия — р«.,=
"*„=~0,55:" fte"-=u66, наименьшее *t=
-=0,« 0,55-0,66—0,17. Отсюда Рпр „«.=2-0,17=0.34 МВт и мини-
минимальный «.=2,9. На рис, 5.9 pi/pi=2, т. е. р„о=0,6 атн. Такая
а р»о не приемлема для данного сечения. Простым реше
случае требуемое превышение давления (р
=0^5. Это озявчает смесь 55% weraia с bi
Выбор способа повыше-
повышении электрической прочно- №
стн определяется компро- CJfl*
ыиссом между яолученнои '
в результате расчета вели-
величиной необходимого коэф
фициентя упрочнения, меха-
механической прочностью волно-
волноводов и другими технико-
вкономичесиими факторами,
рассмотренными выше. При-
Причем, имея в виду о/пасность
развития «движущегося»
Рис. 5.9. Коэффициент увроч-
ненвя (по мощности! тракта в
i тракте при здполяе-
разряда в тракте при 'появлении пробоя в любом его
песте, следует избегать частичного упрочнения тракта.
Однако следует считаться с возможностью возник-
возникновения пробоя. Такая критическая ситуация может воз-
возникнуть по ряду, хотя и случайных, но возможных при-
причин как в условиях эксплуатации, так и в условиях от-
отладки или проверки системы и т. п. Такой пробой пред-
представляет опасность для системы, так как приводит к вы-
выходу нэ строя передатчика. Поэтому наиболее надежным
способом обеспечения жизнеспособности системы может
быть только специальное устройство защиты передатчи-
передатчика с индикацией пробоя.
Действие подобных устройств основано на исполь-
использовании сопутствующих разряду физических явлений.
Так, например, чувствительные датчики, устанавливае-
устанавливаемые вдоль тракта и реагирующие на световые [111] или
звуковые [ 112] излучения разряда, используются для
приведения в действие соответствующих исполнительных
систем, которые выключают питание передатчика.
В устройствах [ 113—115] используется проводимость
плазмы разряда, которая замыкает вмонтированные
в волновод электроды целя обмотки реле защиты. Изме-
Изменение уровнен электрического потенциала вдоль пере-
передающего тракта за счет поглощения и отражения от раз-
разряда используется в устройствах защиты [116, 117, 79].
Таковы некоторые примеры схем защиты передатчика от
пробоя, которые находят широкое практическое приме-
применение.
Список литературы
1. Мак-Донам А- Сверхвысокочаеготшй пробой в газах. Пер.
с вигв. М.. «Мир*. 1969
2. Бр*уи t Элементарные процессы в елдэне газового разряда.
Пер. с ингл. М.. Госатомнэдвт, 1961
3. Куирвнн Б. С, Ссстрорецвий Б. В, Электрическая проч-
прочность волноводвш устройств. М., «Высшая школа», 1963.
4 Could L. Roberts L. Breakdown ol air at microwave Irequ-
encis.—«Phys Rev.» 1956. v. 27, № 10, p. 1162—1172.
5. Гол«нт В. Е. Газовый разряд на СВЧ.-УФН, 1958, т. 65,
вып. 1, с. 39-69.
6. Лсб Н. Элементарные процессы электрических разрядов в га-
газах. Пер. с англ. М., Гостехяэдат. 1950.
7. Вулкан П. С, Зжстевкер Г. П., Млцук В. Е. и др. Электр»-
ческяВ разряд в воздухе яа длине волны З.Е см. — «Радиотехника
и элипроника». 1958, т 111. J* 5. с 698—704.
8. Грювя Г. В., Ееэматерных л. Н. Исследование электриче-
электрического разряда на частоте 9300 МГц. — tl-Тэв. вузов СССР Радио-
Радиофизика». 1958. т. 1, №4. с 111—115.
9. Хохлов М. 3, Булвнн П. С. Мнцу* 6 Е., Твскаевв Т. *.
Влияние радлоактнвнсго овтуч ввн на возникновение импульсного
СВЧ раврида. — «Радвотежкпкв и электронкка». 1958. г. Ill, К S,
с 704—709.
10 Бу«внн П. С, Солнцгв Г. С. Поломарсв И. П. Исследова-
ние самоподдерживающегося иипульсяого СВЧ разряда в возду-
воздухе — «Изв. АН СССР Сер фиэл. 1959. т. ЕЗ, Пй В, с. 941—947.
11. Капцов Н. А., Кузоиняксв А. А. Исследование высокоча
стотного разряда в диапазоне от 1.5 до 15 МГц — >Изв. вузов
СССР Равнофняка». 1960. i3,KS. с. S6—59. № 6, с 15—18.
12. Звстеямр Г. Н-, Сблниев Г. С, Швнлккн Б. Н О мена
|'нэне форынроваинн СВЧ разряда низкого давления в воздухе —
¦Радиотехника н электроника». 1961, т VI. J* 3 с 387—394
13. Prowse W. The iniation ol breakdown in gases Subject to high
frequency electrical Held — «J Brit. Rad Eng». 1950, v 10, Wi II,
f. 333—339
14. PUtimin P. Microwave breakdown ol air non-uniform elec-
electric Held -«Phys. Rev». 1960. ». 119. J* 4. p. 1143-1149
16. Davidson M. Microwave studbs of pulsed clou discharge.—
¦Phyi. Rev.*, 1962. i. 127. J* 6. p. 1B5B—1864.
16. Aherib F. Microwave breakdown ol the atmosphere — In-
Proc 5-th Intern. СопГ. lonizat, 1962. v. I. p. 516—519.
17. Okaxakl S. Microwave breakdown in air, N. Ar,—«Sd. Rep.
Tohoky Un >. 1962. v. 46, № 3, p. 181—1B6.
18. Dunbir S. Breakdown in air at very low pressure in ¦ wa-
waveguide — «J. Appl. Phys.». 1964, v. 35, J* 10, p. 3047—3MB
19 Posln D. The microwave spark. — «Pfiys. Rev» 1MB. v 73.
MS.
SO. Booi J.. Ebert H. GnsentladungTeidstarken von Luft, Sticks-
toll und Argon bei kurzen Mikrowellenimpuben. — «Zeitschrift fur
Angew Phys». 1965. Bd 19. № 11. s. 17—EO
21. Cllden M. Microwave breikdown near в hal surface. — «Trans.
IEEE», 1964, v. MTT-12. № I. p. 26-33.
22. Barlow H. The relative power carving of capacity of high-
frequency waveguides. — «Proc 1EE». 1952. v 99. pi. 3, M 57.
—27.
23. Ширнан Я. Д. Ради!
К. Свяэьиэдат, 1959
34. Cohn 5. Raunded согпе
¦nd other components. — «IRE
i объемные резонаторы.
55. Сазонов В. П., Лвнзкн В. М. Сравнительная оценка про-
пускяой способности волноводов различно» формы —«Электрона» я
техника. Сер 1 Электроника СВЧ». 1966. вып. 4. с 93—109
56. Spektor N. Evalution пГ power capacity оТ strip line.— In:
Pfoc. Nut Electron. СопГ. 1956. v XII. p 715—717.
27. Ковалев М. С Теорая и
Минск, «Нарта н техника». 1967
28. Старовойтова Р И. Преде
полуоткрытого Н-оораэного волновод» — «Нэп. вузов СССР. Р«-
диотехиняя». 1956. т. 1. № 4. с. 490—492.
29. Гутдаит 9. М. Типы волн в H-oCpasROK металлодиэлектри-
«ескон волноводе. — «Радиотехника и злектроникв>. 1962. т. VII.
М 2, с. ЗЮ-Э20.
30. Фелипггейв А. Л., Явяч Л. Р., Смирнов В. П. Спрянотнпя
по хленентаи полноводной техники. 1Л, «Сое. радио*. 1967
31. МаттеЯ Д., Яиг Я., Джонс С. Фильтры СВЧ. согяагувщп
цели и цели связи. Т. 1. 2 Пер. с аигл.. М. «Связи. 1972.
ЗЕ. Фрост Л. Д. Оценка допусп^оН мощности в полосково!
липки —В кн.: Полосховые снепиы сверхвысоких частот. Под ред-
В. И. Сушвевиоа. М.. ИЛ. 1959. с. 161—172
33. From W. Characteristics and som upplicstions ol strip line
component»,- In: Proc Nat Electron. Conl, 1954. v. X, p 5В-Л9.
1E6
3± Hopler S. The deiog 6l rjdge waveguides —«IRE Trans.».
1 i. v- MTT-3, M 5, p. 20—29
35. Лннм передачи сантиметровых волн. Пер. с англ. Под ред.
. А. Ремеза. 1Л, «Сое. радио*. 1951
36. Woo R. RF voltage breakdown in Coaxial transmission line».—
DC. IEEE.. 1969, v. 57. J* 12, p. 254-256.
37. Hart С Tanertbaum M. High-power breakdown ol microwave
¦portents —In- IRE Conv. Bee, 1955, v. 3, pi. B. p. 62—6T.
38. Hart С, ТапепЬлпт ГЛ., Stevenson F. High-power breakdown
. microwave slniclures.— In: IRE Nat Conv. 1956, v. 4. pt. 5,
. 144—205.
39. Saterland D. Electrical breakdown waveguide —«Electronic
nB ». 1954. v S6, № 332. p. 538—S40.
40. Mardis T. Techniques tor microwave breakdown measure-
enfe—«Bell. Lab Record», 1961. v 39, № 5. p. 165—169.
41. Felsentahl P. Nanosecond-pulse microwave breakdown In
ir. —«Л. Appl. Phys.». 1966, v 37, M 12, p. 4557-4560.
42 Selaufman E. Voltage breakdown oT antennas at high altl-
¦ude.-«Proc. IRE». 1960, v. 48. № 11. p 1B81-18B3
43. Valtr Д. Ж-, Стоун E. Пробоя газа в меиентах линии пи-
редачН СВЧ. находящихся под повышенным давлением —«Электро-
ннха». 1962, т. 35, № 16. с. 22—24
44. Snifnr frexatlouride-waveguide dielectric —«Space aeronau-
tics». 1959. v. 31. Us E, p. 138—139.
45. Голант В. Е. Визнчкковенне иипульсного СБЧ-раэрядд
л инертных газах. —«Изв. АН СССР. Сер. фяз.». 1969, т. S3, № 8,
с 952—957
46. Апсопа С. Tenue en pui^sand des acriens d^n lanceur dp
satellite» in atmosphere rareiice. — «L'onde electricue>, 1964. v. 44.
M45I.
47 Лпитнй С. ГЛ., Тшвэваячй В. С. Влияние постоянного
злектркческого поля иг возникновение кипульснога СВЧ разряда
в газе, — «Рядвигеиика и злектроннка». 1962. т. VII. М 1,
с. 133—134
48. Дкювскнй Б. М., Ходатаев Ю. В. Электрическая прочность
вяСрнторвон внтепны в разряженной атиосфере. — 'Раднотелника».
1971, вып. 17, с 57—60.
49. Диснвспия В. «-, Ходатаев Ю. В. Электраческия прочность
шлейфовой антенны при воздействии одиночного импульса — «Ра-
дгоэлсктронакв летательных япларатов», 1971 вып. 3, с 91—98.
50. Mention) М, Dononoe J, PnlsfcJ R. F. Slot-anlentta break-
breakdown [n sir. —«Electronics Letts», 1967, v 3, M 3, p. 104—106
Б1. Сестрорепкв.1 Б. В., Ulmupcu В. В. Нсхоторые иовые
¦дев а тажви водноводяых Tpirroi. — В кв.: Совреыеввые проб-
167
лены антенно волпо одной техники. Под ред. А. А_ Пнстолькорса.
М.. «Нвукя». 1967.
52. Бури В. С. Расчет сочленений ыноговолновых волвово-
дов прямоугольно! формы —«Изв. вузов СССР. Радиотехнике*.
1964. т. 7, № 2. с. 212-219.
БЗ. Barttrwoth С. Owermoded rectangular wnvegulde lor Ь\ф
power IransmiMion. — «Electronkse Querterly», 1965, v. ПО, М 4,
54. Meinlic H. Hollciirr fur sdir gross* Leistungen rait Hlo weJI.—
«NTZ». 1964, v 17, J* 4. p. 32—36.
55. Reltzlg; R. Fusthes considerations ol overmoded rectangolai*
waveguide for high-power transmitted. - «Proc. IEE», 1965, v. 119.
№7
56 Vamnkola V., Stevens L. Delute dielectrice gases grit lockage
costs. — «Microwaves». 1964. v. 2, J* 9.
57. Conning С The deslng oT high-power ЬагтгмлЛс-виргемЬп
filters. -«Proc TREE Auslr.)», 1968, v. 29. № 10, p 701-707.
58 Toiopko L. ОП sub for gas as insulator raise components
power limit. — «Electron. Neus>, 1966. v 10. J* 478. p. 4.
59. Столяров А. К. Современная техника ферритовых s.
высокочастотны* тряктпв — В кн.: Совренеаоые проблемы
волноводяой техники Под ред. А. А. Пиетолморса. М, «Наук».
167, с 158—175.
60. Herlng К. Novel dealon ot an X-band high-power lerrfted
phase emitters. —«Trsns. IEEE». 1972. v. MTT-20, M 4. p 284—286.
61. Применение жидкого диэлектрика для охлаждевв* павших
СВЧ передатчиков. — «Новости зарубежно! мектрониоВ технякн»
1971. выл 9. С. 6-7.
6!. BneTiler С. UHF-high-power Y-dreulator. —«Trana. ГЕЕ».
1961. v MTT-9. J* 6, p. 569—570.
63 Ахачурик Р. Ш . Морозов А M, Тсренеяко Р. В. Тсниера-
турнал эависн11ост> диэлектрических характеристик некоторых орга-
ннаеских жидкостей в еявттаетровои диапазоне.— *2
тпянка Сер. 6. Материалы», 1972, вып. i. с. 97—101.
64. Бергер М. П., Капклевач Б. Ю. I
с диэлектриками М. «Сов. радио», 1973
65. Машкоигч R1. Д. Электрические свойства i
днментрнкпв в диапазоне СВЧ. М. «Сон. радио». 19G9.
66. Анлсрсм Т. Практическая конструкции волвовода, аавол-
венного днэлектрик^н —- В ки" Печатные с
диапазона. Под ред. В И Сушкевш*. М. ИЛ. 1950.
67. Мнк Д, Крвгс Д. Электртпескив пробоя в газах. П .
с in». М, ИЛ. 1960.
X-baod. —«Mic-
?8. Wheder К. A. Coniorrfale mapping of rounded polygons by
VBveKller analog — «IKE Trans... 1961. v. МТТ-Й. № S.
69. Лсвики! Д. И. Поле вблизи сочленена 2-х волноводо»
рлзлислыин паперечпьив се'шгеяик —«Труды МИФИ», 1962,
Ш. 8
70. Wcngtnroth F- Waveguide spark gap - «IRE Trans.», 1960,
¦. J-в, J* B, p. 212—216.
71. Wheekr С Measuring high-power breakdown. — «Micro-
ave J>. 1961. v. 4. M 4, p.61—82.
72. Гола» К. Е., пиняельогтал П. Я. Методы вннтацни по-
пошет В мощности при исиытчивя! разрядников. — «Радяотаднии
илежтрошии*, 1959, т. IV. Н 4, с 660—673.
73. Лупи U. А-, Глщщш *. Л., Каллап Э. Н-, С^ляреаич В. Е.
Использование цадшшриэрашоа баракаиеры для ниншщги СВЧ
пробоя в атмосфер*. — «Вопросы радншлехтраникн. Сер. 12. Обпе-
тыничесмя., 1967. выл. 24, с 33—42.
74. ShergalEs И. High-power microwave боигеме reses parallel
ldystrore,-«Electronic»*, 1962, v. 35, M 24, p. 27-31.
75. Lull L, Londen С Hi|[h-powcr sin--1-11-" -' *-•>¦»
rovaveu. 1962, v. 5,1* 2, p. 90—93.
76. Miloxvlc L. Vutey R. Trave]in?-wavc reeonaton. — «Tram.
IRE>, 1958, v. MTT-E, M 2, p. 136—143.
77. Jinjg L. Application of hybrid junclloos for simulation high-
Bower. -«Proc 1EE>. 1964. v. 103, pt. 3, I* 7. p. 945-947.
78. Дстт А. Б. Метод Исследования веодиородностеВ в вол-
иоиым— «Радкотехвш и алектроника». ISS9, т. IV. Н 4, с 1195.
79. Opjob В. А. Устро1ство идя обварухеиии слабого пробоя
во отраженному сигналу. Авт. свидетельство N 133923. — «ЕЙ»,
1960, М 23.
Ю. Райцыя Д. Г Вопросы работы волноводного тракта высо-
высокого уровни иощноет*. — «Вопросы рыиоааектроюгкн. Сер 12.
Сч^етехнвческая*. 1965, вып. 5. с 28-32.
61. Каплан А. Е- Об отражательной способности металличе-
металлических пленок. — «Радяотехнвм я электроника*. 1964, т. IX. N 10,
с 1342—1346.
82. Югон В. А. Тонкие пленки в ях првиеяеннс в радиояэне-
рктельноа техкяхе. М., Изд-во стаадартов. 1964.
ИЗ. Счт М. Wave proportion In recUngulsr wivegnlde wiht
a lemicwidudine wall. —аРгос 1ЕЕ», 1968, v. 115, J* 1, p. 32—36.
84 Bcust W., Ford W. Arcing in CW transmitters. — «Microwave
Journal». 1961. v. 4, » 10, p. 91—95.
85. Mypuuu Г. Я. К (нечету высоковольткД взолтил длк
высокочастотБьа устройств. — «Изв ЛЭТИ», 1S66, вып. 30,
с 176—186.
ве. Бенввг П. Электрическая прочность изоляционных материа-
материалов. Пер. с нем. М., Госэы ргоиздат. I960.
67. Рдаеяберг И- Ю. Электрическая прочность керамических ди-
диэлектриков ив СВЧ. — «Вопросы радиоэлектроники. Сер. 4. Техно-
Технология производства и оборудования», 1965. вып. 5, с 79—9].
88. Захароа М. И. Расчет распределения температуры в полно-
полноводных окнах выводов энергии врнбороо СВЧ. — «ЭлеьтронБая тех»
вика. Сер. I. Электроника СБЧ», 1968, вып. 4. с. 52—66.
69. РаКиын Д. Г Электрическая прочность феррятовето волио-
водиого устройства фазового типа —«Вопросы радиозлектроппкн.
Сер. 12. Овщегемпгчыжая», I9G5, вып. В, с 17—23
90. Райшы Д. Г. Электрическая срочность волнованных ¦
коаженальаых элементов. — «Вопросы радиоэлектроники. Сер. 12.
Общете1ническая>, 1966, вып. 7, с. 21—27
91. Брауже Б. В. Определение нвкенналького градиента в аппа-
аппаратуре мощных передатчиков. — «Радиотехника». 1946, т. 1, № 2,
х полей. Пер.
—10.
92. Бухгольц Г. Расчет »
с неы. М, ИЛ, 1961.
93. Weber Е. Electromagnetic Fields. New York, J. Wiley. 1950.
94 Drclfus L. Uber die Anwendimg der Theorie der konlorroen
Abbildung Mir Berechnung der Durchschlags. — «Arch. EleHroL».
1924, Bd. 13, i. 123—143.
95. Olendorf F. Potenllallelder der Electroden. Berlin, J. Sprin
ger. 1932.
96. Boag J. The design ol the electrostatic fields. — «Proc. IEE»,
«53, v. 100, pi. i. M 5, p. 63-73.
97. Poiui К- А- Расчет элвпростатнчесыи поле!. M.. «Эвер-
гня>, 1967.
98. Раицыв Д. Г. Расчет электрической прочности сверсвысо-
кояастотных устройств. — «Вопросы радвоэлектроннхв. Сер. 12.
Общеташичееквм», 1969, вып. 7, с. 35—39.
9В. Borewers K-, Catb N. Die muimale elefctriach Feldstarke fur
einige einfadie Electroden Anordnungen. — «Philips Techn. Runds-
hsu», 1968, v. 6, H> 9. s. 274—279.
100. Бровттевк И. И., Сенендаеа К. А. Справочннж по выевки
натематкпе. М. «Наука», 1964.
101. Гохберг Б. М. Элегаэ —электрнчеснан газов» нэоляцви,—
«Электрнчесгво», 1947. J* 3. с. 45—ЛВ.
102. Howard P Insulating properties of compressed electronega-
electronegative bum. —.Proc. IEE>. IS57. v. 104, pt. A, » 14. p. 123
103. Семенов Ю. И. Некоторые теперныенталъные дшыые 10
электропрочиостн влектроотрвоательных газов. — «Элежтрофнэнче-
ская аппаратура», 1966, выл. Б. с 69—82.
160
|О4 Полтей А. И. Элегазовие аппараты. Л. «Энершя», 1971.
105. №Па Т, КаЪвле R., Yamada N. Electrical breakdown cha-
- eristic of suitor be*»ilDride. — In- Mitsubishi Denki Giho, 1965,
I0G. Информационные проспект cSlIIiii Hexailouride. фирмы
-, erai Chemical Allied and Dye Corporation, New YorTt. 19S5.
107. Ащапгелимв Б. Н-, Лсвпюв Э. К., Яшш В. И. Со-
Kamie кабелей сааа сод давлением. М., Сняэьиадкт. 1962
108 Virgil» L. Defection of waveguide subjected to internal
, иип—«Trans. IRE., v. MTT-5, 1957, № 4. p. 1546-1548.
109. Oobbs J. Electronic preasunng system. — «Electr. Enge-
, rsJ», IS56, v. 49, I* 1, p. 52-53.
110. Schepis A. On the thury of shrink fils application to wavt
•ide pressure seal, — «Bell Syst. Tec. J.», 1962, v. 24, M 5, p. 8S5.
111. Sayalll F. The wavequidc detedlnK device. Пат. США,
n 250—217. № 3191046, эаявл. Е4.О461, опубл. 22,06.65.
112. Dram J. Apparatus for locating areas In waveguide. Пет.
США. вл. 181-5, № 326515, эвквл. 12.07:63. опувл 26.07.С6.
113. Стоит J. The protecting arc In waveguides. Пат. США.
кл. 250—36, J* ?860244, ззявл. 11.11.58. опубл. 25 10.60.
114 Stewart J, Device lor protecting в waveguide system against
damage caused by arcing. Пат. США. кл. 333-17. №. 3227971,
эяквл. 4.06СЗ. опубл Г01.66
US. Stewurt J. Improvements relating to waveguide system Пат.
Англии. К 981967. заявл D4.06.63, опубл. 302.65.
I1C. De Vita A. Transmission line arc detecting and eliminating
system wherein the energy source is continualli disHbled and enabled.
Пат. СШЛ, ял. 333—17. Mi Э23В475, заявл. 702*3, опубл. 103.66.
117 lUiterik J- Zapojcni pro samodrme vypinani vjailEcft prl
pomse antenni soustavj. Пат. Чехословакия, кл Slfli. 72/03,
№ 114107, заявл. I3.ia«3. опубл. 16.tM.65,
118. Johnson Г., View M. Arc ptoleded hign frequency electron
¦tachange devices and waveguides window coupling явмтпЫу. Пат.
США, жл. 31S-39. 1* 3345535. ваяал. 26.08.64, опубл. 03.10.67.
119. Larsen H-, Seldmin S. Verlanren iur Ordnung pneumatls-
cher Fehler in Hohlleiteranbgen. Пат. ФРГ, кл. 316, 3/12, MI199345.
задал. 28.07.64, опувл. 17.03.66-
1Й0. Laredo E. Low-Loss transmission rectangular waveguide.—
«Brit. Commun. EL», 1962, v. 9, M 10, p. 738—74S.
1S1- Сна1т Б. Электростатика В электродияанвка. Пеп. с англ.
М.ИЛ, 1954
122. Epitein M., Lenard«r С. Fundamental spproach to hlgh-IrE-
quency breakdown ol gases —«Physics Ы fluids», 19B8. v II, N» 12,
p 2753.
123. Аждмпора Д., Спроул Р. Электрический пробой в .... -„-
при высокоы уровгге садней ыопшости и большой длмтельяоети
импульса.— «Зарубежная радиоэлемтроника», 1973, W? 11. с. 50—67_
124. Cohn S. Rectangular waveguide teoretical CW-average power
rating. —«IRE Trans», 1961. v. MTT-9. J* 4, p. 3*9—354
i. Вотан Т. Повышение температуры в
роннкэ». 1964. т 37. № 3. 1, с. 23, Е4.
i SchJItfM P. How much CW-powcr car
strip linea handle?-
127! Ciav!>rcih"l"fike (he hassle out of nigh power design- —
¦Microwaves». 1972, v. 11. M 6, p. 60.
128. Ахажов Я. Ю. Диэлектрические свойства петых жмдко-
Иэдяо стандр 1972
9. Raffh
mance.. 1974, v. 13 № П. р. В—12
130. Gerlach R. Watch out for s
ve», 1974, v. 13. К, 5. p. 44—51
131 Pitschl F Bh
u reflections.—«Microwa-
reflections.—«Microwa», 1974, v. 13. К, 5. p. 44—51
131 Pitschl F. Bcrechnung der thermlichen GrenzbellaMung
koaxialer Rohr!dluHKen. — «NTZ». 1973. v 26, № 11. в. 4в7~4в9.
132. Квллан Э. И.. КалшнипиВ А. К . Лупан Ю.А.. Tina H. а
Икпулъсны* висоиочастотпий нравов воздуха V ' ~
иембрапы в валноволе — «№в вузоа СССР. Раш
т. 17. № 10. с. 1568—1579
133. Дмансиа Л. А., Лупам Ю. А. Оце_..„ г
прочности многофункциональных витенн —«Вопросы судостроении
Сер рлсиолокацяя», 1974. выл 3. с 101—105.
134. Eatly D. The шквп]са] strength and silffaess of preuurized
microwave devices. — «Marc Rev», 1975, v. Зв. M 196,p. 44—61.
135. DaW5on E,, Ledennin S. Pulsed microwave breakdown in
Казеэ with low degree ol preioniiation —«J. Appl. Pbys», 1973,
?. 44, M 7. p. 3066-3073.
136. Carl J., Liky V. Antenna biasing to improve power hand-
handling capibiliti. — «Trans. IEEE*. 1969, v AP-17. M 5, p. 640—642
137TWeiB»nd R. RFgcneralrf shock wavra.-.Proc. IEEE.
1966, v. 54, № 10. p 14S5.
136. Dorian Y_ Hurrii Г. Electrical brcakilown ol NjO. SF,, and
NfifSF, mixtures. — «Proc. IEEE., 1974. v. 121. № 3, p. ?23—226.
. ПрВЕЗЖеа Г M, Uwmi В. П. Нселедовапе i
мектропйого разряда на СВЧ жежоу нерашпесюнтя Еоаерхностя-
¦и. — >Э.Ш1трон|1аЯ техника Сер 1 Электроника СВЧ». 1966.
pour Hyperfrtquences.. Paris, 14—18 IX. 19647 рГ 234—290.
141. Capoum E. П, Лртючи E. A- Tapuuoi Ю- Е. Прпене-
вне гиовьи днэлжтрвков и фгорсодержащия жидкостей в высоко-
высоковольтной РЭА— «Изв. ЛЭТ11», 1974, вып. '168, с. 121
142. Слободан»* В. А, Федором Л. М. Вывод энергии ннга-
тронв на ынкрогрсьв непрерывного действия — «Приборы л техни-
техника эксперименте,, J975, № 6, с 128-
143. Янушеаш М. В., Вилыс 9. К.. Лисенок Л. Н., Лави-
Лавина. Н. Г. Вопросы герыишашш выводов мнхросборок СВЧ-днаоа-
эона —«Вопросы радноэлагтроннхя. Сер 4 Теклологнв л~
ва и оборудования,, 1974, еьш- I. 53-5T
Предметный указатель
од «ироарачиыв* 36
иый 35
одвые нзыерктыьньк
— отражен
Гермствэюин ¦ наддув t
гионаполыеыне 140
149
Ниитапня БУМ:
1 разряда 60
н разряда 60
— погл1яоеинй разряда 60
— прилипания 43
ушюженнн 25
— упрочнчкяя 144
Ктффшшснты снижения мек-
трнческоП прочности Ю2
Кришческия узел устройства
Метод элытростатв
критерий зг
критический узел
103
__ .,„„„ 1 давления 26
— резонатора стояче* вол-
Ииднкаоня разряда:
ектрвческоа
устроШства
параиетры аналогов lib
погрешности расчета U32
лчрадо* расчета 106
примеры 127
типовые неоднородности IC6
зависимость от вероят-
вероятности разряда 21
давленая 9. №
Напряжение перекрытия 89
Напряжеквоиь пороговая 1С
— пробивная 16, 45
пробивная 16,
разрядная 15
ышение исп
— разряд
Повышение
ВУМ 26
тательно!
кнк геноратороа 23
нетод peJuHBTopa fmrjuwB
Пробввиан напряж
™атяаиюе
Текперпуры 57
диэлектриков газообразных
плазменное облако 46, 65
разряд инициатор 66
скорость «движения* разря
— графнчесине 100
«оделвроаакве 100
СВЧ рняряд:
вероятность разряда 21
время запаздывания 21
-— формирования 21
длина диффузионная 42, 54
— свободного пробега 43
интервалы давлений 56
ионизирующие излучения 66,
иеонопмдврхвяапщннся 4S
пл" мюид 46^6?! 66
роль стваевл лешшорилдюстн
электрического пола 4БЙ
самоподдерживающийся 46
Устройства с твердым лнзлеж-
втарично-шмктроаны! про-
перекрытие диэлещрика ВЭ,
«порог ион
пробой тепловой 15, 91
—термононнзациондоя 90
— электрический 15, 88
разряд 86
— в неоднородном поле 91
Элегаэ:
коэффициент упрочнена
электрического пол» 143
теипературы 149
Элстгрнческоя cpoqaocrb уст
ТЕ"
гибридные соедвнгтя 73
диэлектрические фвзовраща-
22
пробнвяой 22
п^снлючатЕлн 75
поглощающие нягруэхн 83
расчет 1Ц, 97
устройства феррнювые ВЗ
повышеове давления 1S5
соосовы упрочвения^
Эффектнаное поле «
Частота диффузии 40
^эаяаата (прилипай
— ионизации 40
— столкновений 42
— устранений 42
Оглавление
Предисловие . . .
Глава I. Общие вопросы *а«трн*есм>1
1.1. Современное состоите разрабопн СВЧ систем высо-
высокого уровня иощностн _ . _
1.2. Основные понятия
1.3. Особенности разработки СВЧ устройств вывовагв
уровня мощности
1.4. Методы расчета и экспериментального нсследомкаа
электрической цючпости устройств
Гаава 2. Нметарме свойства СВЧ раарядя . .
2.1. Краткие сведения о физических процессах СВЧ рм-
2.2 Особенности раэвяпя СВЧ разряда в одйорадвон в
неоднородном электрическом поле . .
2.3. Пробивная напряженность воздуха щ се зависимость
от внешних факторов
2.4 ДнсснпатпвныЕ свинства разряда .
2.5. ¦Бегущие» разряд • волноводе. Пробой траста
. ,.~- —О.Ю СВЧ ytB»»fcw
3.1- Результаты эясперны^тального «сследовашгя аввж^
трачеоюй прочности иолноводвых устройств . .
SS. Результаты аилерячеаилыюго исокдовзння меж-
трическо» прочвосп кваксвальны! к тцмвтоавд
стч злвггрнчссюй прочвоетв устройстве та*р-
„[ектрикоы
результатов s
гоаштркческой протаосгв СВЧ устао1ств
лава 4. Рале _—
методой иевтростат . . .
4 I. Прниеыевие методов шектростапкн дл> расчета
трнческов прочвоста СВЧ устройств
4-2 Сущность приближенного иетода иивтроста
*3 Типовые игоднородйостн СВЧ устройств в П Мсж-
трос гвт нческне аналоги . , . . ,
*4 КритернА электршескоа лрочвесп некоторых вак-
электрпеис'он орочвосп СВЧ
тоостатнтеапи аяало]
5. Прянеры расчета э,
устройств . . .
6.1. Oi ннидя! коыструпенн устройств .
6J. О -сбы повышения электрической прочности трила
Ь2. П| иенгаве мегвза .
Б.4. Н< )торые вопросы проекткроявиия сложных СВЧ
тр тон высокого уровня мощности
Спмсож алтератури . .....
Прысастнын указатель
КБ М 211
ДАНИИЛ ГРИГОРЬЕВИЧ РАЙЦЫН
Эдевтрическая прочноегь СВЧ устройств
Редактор И. К. Калинина
Художественный редактор И. С Шспн
Обложка яудожника Б К Шаммимша
Тганнчесннй ргдипор В А. ПозИчтова
Корректор Л. А Максима
ЙООШ
1 Они» "министр™ СССР