РАЗРАБОТКА И ТЕСТИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СВЧ ПОГЛОТИТЕЛЯ И АТТЕНЮАТОРА БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ, ОХЛАЖДАЕМЫЕ ЖИДКОСТЬЮ (Заключительный)

Объектом разработки (исследования) является поглотитель и аттенюатор электромагнитных волн (электромагнитной энергии) большой мощности, охлаждаемый жидкостью (водой), выполненный на основе СВЧ-резисторов с объемным поглощающим слоем. Цель работы – разработка электродинамической модели, а именно создание алгоритма и программы расчета. Разработка конструкторской документации по изготовлению изделия по смоделированной электродинамической модели. Разработка систем обеспечения работы изделия. Расчет системы принудительного жидкостного охлаждения совместно с воздушным охлаждением, системы индикации и контроля входной и выходной мощности. Методы исследования – метод продольных и поперечных сечений, метод Мюллера поиска комплексных корней дисперсионных уравнений волн направляющих электродинамических структур, метод оптимизации Розенброка. В процессе выполнения проведены исследования в направлении создания конструкции СВЧ-поглотителя и аттенюатора, использующего замкнутую (автономную) систему жидкостного (водяного) охлаждения. Базовым основанием для выполнения работы стали мощные высокочастотные поглотители типа УВ, РПН. Основными недостатком последних являются: большие массогабаритные показатели, недостаточно широкий рабочий диапазон частот, необходимость в системах подачи охлаждающей жидкости. В ряде изделий, для работы в СВЧ-диапазоне, требуется изготовление специальных согласующих элементов. В соответствии с целями и задачами исследования был выполнен ряд работ, в результате которых получены следующие результаты: 1. Разработка электродинамической модели, а именно создание алгоритма и программы расчета. Разработка конструкторской документации по изготовлению изделия по смоделированной электродинамической модели. Проведено исследование керамических и токопроводящих материалов, технологий нанесения проводящего слоя, с целью создания СВЧ-резистора СВЧ-нагрузки с заданными техническими характеристиками. В результате исследований был выбран пористый керамический материал на основе оксида алюминия, с объемным токопроводящим слоем пиролитического углерода. Вода за счет свойств капиллярности проникает внутрь материала резистора и подводится к токопроводящему слою с внутренней стороны, чем обеспечивается двухсторонней отвод тепла от токопроводящего слоя. Для осуществления охлаждения резистор помещается в специальную арматуру. Исходя из выбранных параметров СВЧ-резистора, а также конструктивных и технологических особенностей его использования, разработана электродинамическая модель СВЧ-нагрузки. Проведено согласование макетного образца СВЧ-поглотителя и аттенюатора с передающей линией. Для этого на основе строгих электродинамических методов разработан алгоритм и программа расчета коаксиальных трансформаторов волнового сопротивления в коаксиальном волноводе. По результатам оптимизации геометрических параметров рассчитаны и спроектированы специальные согласующие элементы и переходы. По смоделированной электродинамической модели спроектированы СВЧ-поглотители и аттенюаторы мощностью до 5 кВт и до 15 кВт, разработана их конструкторская документация. Для проектирования системы охлаждения был изготовлены образцы изделий и проведены их исследования по электрическим характеристикам. Параметры разработанных изделий по масса-габаритным и электрическим показателям превосходят отечественные образцы и не уступают современным зарубежным аналогам. 2. Разработка систем обеспечения работы изделия. Расчет системы принудительного жидкостного охлаждения совместно с воздушным охлаждением, системы индикации и контроля входной и выходной мощности. Проектирование системы охлаждения, удовлетворяющей требованиям по массогабаритным показателям, требованиям автономности и экономичности. Приведены расчеты основных параметров системы охлаждения: расхода и скорости движения теплоносителя. Определено число Рейнольдса, характер течения теплоносителя. Показано, что при данных параметрах движение жидкости будет турбулентным. Проведено проектирование системы контроля и управления, обеспечивающей контроль параметров, и отключение при нештатном (аварийном) режиме работы. В качестве основного блока управления выбран микроконтроллер ATmega328, так как данный микроконтроллер легко доступен, прост в обращении и полностью удовлетворяет требованиям для решения поставленной задачи. Проведена работа по подключению, настройки и тестированию работы датчиков (температуры, давления, расхода жидкости) системы охлаждения на макетном образце. На промежуточном этапе работы был спроектирован и изготовлен прототип СВЧ-поглотителя и аттенюатора с характеристиками: 1. Волновое сопротивление – 50 Ом. 2. Рабочий диапазон частот до 1000 МГц. 3. Коэффициент стоячей волны в рабочем диапазоне не более 1.15. 4. Уровень рассеиваемой мощности – 5 кВт. Тестирование макетного образца (прототипа) показало соответствие заявленных характеристик с характеристиками, полученными в результате натурных испытаний. В результате всей проделанной работы: 1. Разработана конструкция СВЧ-поглотителя и аттенюатора большой мощности, охлаждаемого жидкостью. 2. Разработан технологический процесс изготовления резистора с объемным токопроводящим слоем. 3. Спроектирован и изготовлен СВЧ-поглотитель и аттенюатор большой мощности с полуавтономной системой охлаждения с характеристиками: - Волновое сопротивление – 50 Ом; - Рабочий диапазон частот до 1000 МГц; - Коэффициент стоячей волны в рабочем диапазоне - 1.2 (не более); - Ослабление (потери) – минус 30 дБ; - Уровень рассеиваемой мощности - 15 кВт; - Масса - 75 кг; - Объем бака для охлаждающей жидкости (вода) - 40 л.