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제목 OriginPro 마이크로파 신호 주파수 역학 연구

OriginPro 마이크로파 신호 주파수 역학 연구

원산지 사용자

Andrey D. Andreev, Ph.D. 
리드 엔지니어 
Booz Allen Hamilton, Inc.

문제

생성 된 마이크로 웨이브 펄스 중에 마이크로파 신호의 주파수 동역학을 분석합니다.

해결책

원점을 사용하여 출력 신호의 주파수가 어떻게 변하는지를 알기 위해 펄스 중에 마이크로 웨이브 신호에 단시간 푸리에 변환 (STFT)을 수행하십시오.



"가장 중요한 측면은 Origin의 신호 분석 기능입니다."


마그네트론은 1920 년대 초에 처음 개발되고 연구 된 장치입니다. 대부분의 회사는 General Electric의 Albert Hull이 "마그네트론"이라고 불리는 장치의 개발을 발표했는데 다른 회사들은 이와 유사한 장치를 독자적으로 연구하고 개발했습니다. 벨 연구소 (Bell Labs)의 AL Samuel은 종종 멀티 캐비티 마그네트론 개발에 기여한 것으로 알려져 있습니다. 그러나 멀티 캐비티 마그네트론의 최초의 성공 사례는 1936 년 러시아의 Nikolay Alekseev와 Dmitriy Malyarov에 의해 개발되었으며 3 GHz에서 300 와트를 달성했습니다. 1940 년 영국의 엔지니어 인 John Randall과 Henry Boot는 장치의 전자기파 생성 기능을 향상시킨보다 정교한 멀티 캐비티 마그네트론을 개발하여 영국군이 독일 잠수함 탐지에서 유리하게되었습니다. 그후, 영국인은 미국 과학자들과 정보 교환 프로그램을 설립하여 마그네트론의 대량 생산을 이끌었다. 오늘날 캐비티 마그네트론은 레이더 송신기 및 전자 레인지를 포함하되 이에 국한되지 않는 실용적인 애플리케이션을 보유하고 있습니다.

마그네트론의 목적은 밀리미터에서 데시 미터 범위의 전자기파를 생성하는 것입니다. 현대 캐비티 마그네트론은 마그네트론 중심의 음극과 양극 사이에 전압을인가하여 작동하는 진공관입니다. 원통형 양극이 음극을 둘러싸고 있으며,이 양극은 양극의 내부 주위에 배열 된 몇 개의 정밀하게 성형 된 공동을 포함한다. 음극에서 생성 된 전자는 양극 내부의 원형 경로를 따라 이동하여 모양의 공동이 통과 할 때 공진하여 전자기파를 생성합니다. 이 생성 된 전자기 복사는 안테나 또는 다른 출력 전자기력 구조 [1]를 통해 출력 도파관에 의해 공기 중으로 보내진다.

 

"Origin은 시뮬레이션과 실험에서 생성 된 많은 양의 데이터를 수집 및 분석하고 프리젠 테이션 및 출판물 분석 결과를 준비함으로써 시간을 절약 할 수있게 해줍니다."

부즈 앨런 해밀턴 (Booz Allen Hamilton Inc.)의 수석 엔지니어 Andrey D. Andreev 박사 는 마그네트론 작동 물리학에 관한 연구를 수행합니다. 그는 Communication & Power Industries의 Beverly Microwave Division에서 제조 한 S-band 동축 VMS-1143B 마그네트론에 대한 최근의 시뮬레이션 및 분석 연구 결과를 공유 할 정도로 친절했습니다. VMS-1143B 마그네트론은 "동축"디자인을 사용합니다 ( 그림 1)는 양극과 출력 도파로 사이의 "안정화 공동"의 존재를 특징으로한다. 제조업체에 따르면 안정화 캐비티는 더 많은 수의 공진기를 허용하고 베인 팁에서 아크 발생 경향을 감소 시키며 스펙트럼 품질 및 튜닝 성능을 향상시킴으로써 마그네트론의 성능을 크게 향상시킵니다. VMS-1143B 및 전임자는 전 세계적으로 민간 및 군용 레이더 애플리케이션에서 40 년간 검증 된 신뢰성을 보유하고 있습니다. 일반적인 애플리케이션에서 VMS-1143B는 마이크로파 스펙트럼 (2 - 4 기가 헤르쯔 (GHz))의 S- 대역, 65 kV (애노드 전압)의 애노드 전압에서 최대 3 메가 와트 (MW)의 마이크로파 전력을 제공하며, 100 암페어 (A)의 전류. VMS-1143B는 2.7-2의 작동 주파수 범위로 기계적으로 조정할 수 있습니다. 9 GHz이며 10 만 시간 이상의 실용 수명을 나타냅니다 [2]. 흥미롭게도 Andreev 박사는 VMS-1143B의 한 응용 프로그램이보다 강력한 60 MW VMS-1873B 마그네트론의 작동을 촉진하는 원동력으로 사용되어 왔다고 지적했습니다.

Andreev 박사는 "다중 공동 마그네트론의 공진 시스템의 주요 특징은 특정 수 n 의 전자기 (EM) 모드 (공진) 의 공진 주파수 ( f r ) 를 연결하는 브릴 루앙 분산 다이어그램 입니다. 비 사인파 EM 파 의 공간 고조파 ( nm ) ( EM 모드 n 의 성분 m 과 관련됨)의 ( 공명 시스템의 단일 공간주기에 대한) 위상 쉬프트 ( ΔΦ nm ) 공진 시스템의 둘레 주위를 방위각적으로 주행한다. 따라서 브릴 루앙 분산 다이어그램은 캐비티 당 위상 변화 또는 위상 차이 ( Δφ'내지 그 공간 고조파) 내지 유도 EM 전계의 E  공간적 구성을 특정 공진 주파수에서, F (R) 의 소정의 공진 시스템 내의 각 구성 요소의 정의 m 각각 EM 모드의 N을 . "

Andreev 박사가 제공 한 안정화 캐비티가 있거나없는 VMS-1873B 마그네트론의 예제 Brillouin 다이어그램은 안정화 캐비티가보다 복잡한 분산 다이어그램을 생성 한 것으로 나타 났으며 Dr. Andreev는 다음과 같이 확인했습니다. "캐비티 안정화는 확실히 분산 다이어그램을 복잡하게 만들고, 때때로는 아니지만 언젠가는 두 개의 마그네트론 모드가 혼합 된 것처럼보다 복잡한 신호를 생성합니다. 이것은 마그네트론 작동에 대한 이해를 복잡하게 만들지 만, 마그네트론을 마이크로파 출력 전력 발전의면에서보다 효과적이고 생산적으로 만든다 "[5].

브릴 루앙 분산 다이어그램

그림 2 : 동 공명 마그네트론의 브릴 루앙 분산 다이아 그램 (왼쪽)과 안정화 캐비티 (오른쪽) [5].


 

Andreev 박사는 VMS1143B 마그네트론에 대해 "콜드"시뮬레이션을위한 LANL의 Poisson Superfish와 ANSYS HFSS, "핫"시뮬레이션을위한 AFRL의 ICEPIC을 사용하여 마그네트론 작동의 "콜드"및 "핫"시뮬레이션을 수행했습니다. Andreev 박사는 "저온"시뮬레이션은 저속 구조 내부에 전자 빔 (흐름)이없는 컴퓨터 시뮬레이션이라고 설명합니다. "핫"컴퓨터 시뮬레이션은 각각 관련된 전자 빔 (흐름)을 사용한 시뮬레이션입니다. 예를 들어 Andreev 박사의 연구에 따르면 2D "콜드"Superfish 모델 (LANL의 Poisson Superfish) 시뮬레이션과 3D 콜드 HFSS (ANSYS 'HFSS) 시뮬레이션에서 생성 된 결과 사이에 긴밀한 일치가 있음이 나타났습니다. "예, 2D 콜드 "시뮬레이션은 3D 콜드 시뮬레이션과 동일한 결과를 산출합니다.

그러나 "뜨거운"3D ICEPIC 시뮬레이션은 음극 전류가 100A의 VMS1143B 정격 음극 전류보다 거의 3 배 더 높았으며 출력 마이크로파 전력은 정격 된 VMS1143B보다 20 % 적은 것으로 나타났다 65kV의 동일한 애노드 전압에서 3MW의 전력 출력. Andreev 박사는 실제 VMS1143B 마그네트론이 2 차 전자 방출 모드에서 작동하는 동안 공간 - 전하 제한 전자 방출 모드를 가정하여 ICEPIC 시뮬레이션이 수행된다는 사실에 의해 이러한 불일치를 설명합니다. "일반적으로 공간 전하 제한 전자 방출은 2 차 전자 방출이하는 훨씬 많은 전자 전류를 생성합니다. 이것은 음극 전류 및 출력 마이크로파 전력에서 관찰 된 불일치의 실제 이유 일 수 있습니다. 그러나 이것은 컴퓨터 시뮬레이션에서 입증되어야하며,

그림 3 : 핫 3D ICEPIC 마그네트론 시뮬레이션 및 분석 결과 : 70kV X 0.23T

그림 3 : 핫 3D ICEPIC 마그네트론 시뮬레이션 및 분석 결과 : 70kV X 0.23T

그림 4 : 핫 3D ICEPIC 마그네트론 시뮬레이션 및 분석 결과 : 70kV X 0.23T

그림 4 : 핫 3D ICEPIC 마그네트론 시뮬레이션 및 분석 결과 : 70kV X 0.23T

공진기 중 하나의 내부에서의 RF 진동.

그림 5 : 핫 3D ICEPIC 마그네트론 시뮬레이션 및 분석 결과 : 70kV X 0.23T, 공진기 중 하나의 내부에서 RF 진동.

안정화 캐비티 내부의 RF 진동.

그림 6 : 3D ICEPIC 마그네트론 시뮬레이션 및 분석 결과 : 70kV X 0.23T, 안정화 캐비티 내부의 RF 진동.


 

참고 문헌 :

[1] Cavity Magnetron . 
[2] S-Band 3 MW 동축 마그네트론 (PDF) . 
[3] TA Treado, RA Bolton, TA Hansen, PD Brown, JD Barry, "고전력, 고효율, 주입 잠김 2 차 방출 마그네트론", IEEE Transactions on Plasma Science , 20 권 3 호 , 1992 년 6 월, pp. 351-359. 
[4] AD Andreev, KJ Hendricks, S. Soh, M. Fuks 및 E. Schamiloglu, "상대 론적 마그네트론 작동의 요소 이론 : 분산도", Journal of Directed Energy , Vol. 5, No. 1, 2013 년 봄, 1-41 페이지.
[5] Andrey D. Andreev와 Chris Walker, "메가 와트 급 S- 밴드 동축 마그네트론의 컴퓨터 시뮬레이션"은 2017 년 5 월 21 일부터 25 일까지 뉴저지 주 애틀랜틱 시티에서 개최 된 제 44 회 플라즈마 과학 국제 회의에서 발표되었습니다.


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