6.3.5. Область применения магнетрона.

Основная область применения магнетрона – радиолокация. Они также находят применение в виде синхронизированных генераторов для передачи ЧМ иФМ модулированных колебаний в системах связи. Они обладают минимальными массогабаритными параметрами и высоким к. п. д. по сравнению с другими передающими СВЧ устройствами.

Магнетроны применяют также в ускорителях заряженных частиц я в установках для высокочастотного нагрева.

Различные по назначению магнетроны перекрывают диапазон частот от 300 МГц до 300 ГГц. Выходная мощность магнетронов непрерывного действия составляет от долей ватта до нескольких десятков киловатт, а магнетронов импульсного действия — от 10 Вт до 10 МВт. Электронный КПД магнетронов может превышать 70%. Полный КПД, равный произведению электронного КПД и КПД колебательной системы, также высокий, так как собственная добротность резонаторов велика (порядка 1000).

Перестройка частоты магнетронов в основном в небольшом диапазоне (от 5 до 10%) осуществляется механическим образом, поскольку крутизна смещения частоты не превышает десяток мГц на ампер. Механическая перестройка инерционна и по величине диапазона недостаточна для некоторых применений.

Исследования электронного смещения частоты привели к созданию нового класса приборов магнетронного типа - митронов. В отличие от магнетронов они имеют широкополосную колебательную систему- цилиндрический анод в виде встречных штырей, встроенных в объемный резонатор, а также сниженную плотность пространственного заряда (для этого используется торцевая электронная пушка и центральный неэммитирующий катод). Меняя анодное напряжение можно менять переносную скорость и соответственно частоту вращения спиц. За счет широкополосности колебательной системы обеспечивается условие синхронизма- за один полупериод ( - вид колебаний) спицы перемещаются на расстояние равное шагу штыревой системы.

Созданные митроны используют в широкополосных приемниках с быстрой перестройкой частоты(мощность до 1 Вт), в радиовысотомерах (мощность до 10 Вт), а также в широкополосных радиопередающих устройствах (мощность более 10 Вт). Относительное изменение частоты может достигать 50%. У мощных митронов к. п. д. может достигать 70%. Рабочий диапазон 0.2-10 ГГц.

6.4. Платинотрон.

Платинотрон представляет прибор магнетронного типа с замкнутым электронным потоком и незамкнутой замедляющей системой. Платинотроны, предназначенные для усиления сигналов, называют амплитронами. Автогенераторные платинотроны получили название стабилотронов.

Основными параметрами, по которым амплитрон существенно превосходит остальные СВЧ приборы – средняя мощность и к. п. д. при относительно широкой полосе пропускания. Работая в диапазоне частот 0.4-20 ГГц амплитрон способен давать выходную мощность до 100 кВт в непрерывном режиме и до 10 мВт в импульсном. При этом

амплитроны имеют КПД не менее 55—60%, а отдельные типы мощных и сверхмощных приборов 70—85%. Относительная полоса пропускания может достигать 10%, но усиление не превышает 10-15 дБ. Параметры некоторых амплитронов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Эти параметры определяют применение амплитронов в качестве выходных усилителей мощности в системах связи, когда требуется большая выходная мощность и широкая полоса пропускания – радиолокация, радиопротиводействие, системы дальней связи. Недостаточное усиление требует применения предварительных усилителей. В частности для передачи данных с Луны в программе НАСА Аполло использовался амплитрон с =17 дБ, =2.8-3.2 ГГц и =25Вт. Амплитрон непрерывного действия с мощностью 425 кВт и к.п.д. 76% (относительная полоса пропускания 8%) использовался в программе исследований по передаче энергии с помощью СВЧ излучения. В 1964 г. создатель амплитрона Вильям Браун( год создания 1952) продемонстрировал вертолет, движущийся за счет энергии, передаваемой ему по СВЧ лучу.

На рис. 6.48 приведено схематичное изображение платинотрона. Его устройство сходно с магнетроном. Отличие состоит в том, что резонансная система платинотрона разомкнута. Это делает ее весьма широкополосной, как у волновых ламп М-типа.

Рис. 6.48

Разомкнутые связки используются для подачи сигнала, подлежащего усилению, и его вывода . Число резонаторов замедляющей структуры выбирается нечетным, что обеспечивает малую разность ВЧ-напряжения между выводами связок и тем самым устраняет возможность самовозбуждения. Замедляющая структура имеет обычно лопаточную или бугельную конструкцию. Конструкция катодной части идентична магнетрону. Все устройство помещается в однородное постоянное магнитное поле, перпендикулярное плоскости чертежа.

Взаимодействие электронного потока с СВЧ-полем анодного блока аналогично ЛОВ М-типа, т. е. используется взаимодействие потока с первой отрицательной гармоникой поля. При этом направление вектора индукции внешнего магнитного поля и статического поля анода выбирается таким образом, чтобы средняя переносная скорость электронов совпадала по величине и направлению с фазовой скоростью волны . Постоянное анодное напряжение U_a приложено между анодом и катодом, так же как и в магнетроне. Противоположное направление групповой скорости также, как и в ЛОВ М-типа приводит к появлению положительной пространственной обратной связи. Поэтому как показал эксперимент, амплитрон при отсутствии внешнего сигнала или в случае, когда внешний сигнал мал, имеет на выходе шумоподобный сигнал, частота и амплитуда которого не зависят от входного сигнала. Такое поведение связано с тем, что амплитрон находится в предгенерационном режиме и устанавливающаяся обратная связь случайна. Действительно, скорость пучка, а следовательно, генерируемая частота определяется анодным напряжением, которое, в свою очередь, зависит от анодного тока. Как только в системе устанавливается некоторая «случайная» волна, начинает протекать анодный ток, в результате меняется анодное напряжение, а также скорость пучка. Происходит срыв генерации на одной частоте и установление нового режима, который снова приводит к изменению анодного тока и т. д. Процесс усложняется еще и тем, что электронный пучок замкнут и поддерживает волны только с определенными характеристиками.Если на вход подать достаточно мощный сигнал то он, поступая по связкам на резонаторную систему, возбуждает в ней СВЧ поле, которое, взаимодействуя с электронным потоком, приводит к появлению спицеобразного пространственного заряда в пространстве взаимодействия. Механизм группировки электронов аналогичен магнетрону. Группировка электронов в спицы лавинообразно развивается в направлении от выхода ко входу. То есть мощный сигнал «организует» движение электронов и устанавливает упорядоченный процесс генерации с частотой управляющего сигнала. Поэтому амплитрон можно рассматривать как автогенератор, синхронизированный внешним сигналом. Небольшое превышение входной мощности над , как видно из рис. 6.49 ,приводит к незначительному увеличению мощности

Асимптотический характер кривых объясняется заметным влиянием входной мощности, суммирующейся с выходной, при соизмеримом уровне обеих.

Рис. 6.49

зависит от значения мощности в цепи анодного питания . На рисунке . Таким образом, на амплитудной характеристике находится область неконтролируемого пространственного заряда, внутри которой усиление входного сигнала невозможно. Необходимая для управления минимальная мощность входного сигнала увеличивается с ростом объемного заряда и, значит, с ростом Р_а.

Амплитрон обладает свойствами направленного усиления. В самом деле, если направить сигнал на выходные клеммы или изменить направление внешнего магнитного поля, то взаимодействия между электронным потоком и СВЧ полем не будет, так как и имеют взаимно противоположные направления. При этом входной сигнал практически без изменения (поскольку затухание в резонаторной системе мало) пройдет на выход прибора.

Платинотроны можно использовать и как мощные высокостабильные автогенераторы - стабилотроны. Функциональная схема такого генератора приведена на рис.6.50.

В основе схемы лежит амплитрон 2, выходная цепь которого через рассогласователь присоединена к нагрузке 3. Входная цепь амплитрона через фазовращатель замкнута на согласованную нагрузку 1, параллельно которой подключен перестраиваемый высокодобротный резонатор. Расстояние от резонатора до линии входного сигнала выбирается кратным .

Рис. 6.50.

Подача анодного напряжения в отсутствие входного сигнала приводит к появлению на выходе амплитрона спектра волн шумовых частот, распространяющихся как в сторону входа, так и в сторону выхода. При этом отражение волн в сечении линии, где подключен резонатор, происходит лишь в узком диапазоне частот полосы пропускания внешнего резонатора. Отраженная волна частоты , равной собственной частоте настройки резонатора, усиливается амплитроном. Процесс лавинообразно нарастает, поскольку часть мощности, отраженной рассогласователем, с выхода направляется на вход амплитрона.

Поскольку частота генерируемых колебаний определяется настройкой внешнего высокодобротного резонатора, то резко уменьшается электронное и температурное смещение частоты, а также степень затягивания частоты по сравнению с магнетронным генератором. Полоса генерируемых стабилитроном частот при использовании систем механической настройки внешнего резонатора доходит до 5—10% средней частоты. Стабилотроны работают как в непрерывном, так и в импульсном режиме, причем длительность импульса может быть доведена до нескольких десятков микросекунд без потери высокой стабильности генерируемых колебаний.