13.5.4. Генераторы на лампах бегущей и обратной волны типа м

Усилители на лампе бегущей волны типа М выполняются с разо­мкнутыми электронным потоком и колебательной системой. При этом ради удобства создания однородного статического магнитного поля в зависимости от диапазона частот они выполняются с линей­ной или свернутой в кольцо замедляющей системой (рис. 13.18).

Для обеспечения широкой полосы частот входного сигнала вместо системы резонаторов используется гребенчатая или встречно-штыревая нерезонансная замедляющая система. Электронный поток инжектируется в пространство, где действуют скрещенные электри­ческое и магнитное поля, поэтому выходная мощность меньше, чем в приборах типа М с центральным расположением катода. Для подавления

Рис. 13.18. Схема цилиндрической (о) и линейной (б) конструкций усилителя на ЛБВ типа М

отраженной от выхода волны в середине замедляющей сис­темы включают поглотитель. Преимуществом ЛБВ типа М перед ЛБВ-0 состоит в высокой эффективности отбора мощности от элект­ронного потока, благодаря чему получается достаточно высокий электронный КПД.

Лампы бегущей волны типа М производятся на выходную мощ­ность порядка нескольких киловатт в непрерывном режиме и 100— 200 кВт в импульсном режиме; диапазон рабочих частот около 1,0—1,5 октав в дециметровом и сантиметровом диапазонах; КПД 35—45 %.

На лампе обратной волны типа М создают мощные управляемые по частоте СВЧ-автогенераторы с высоким КПД. Отличие конструк­ции ЛОВ типа М от ЛБВ типа М состоит в том, что выход энергии располагается вблизи участка замедляющей системы, где электрон­ный поток эмитируется в пространство со скрещенными электриче­ским и магнитным полями, а вблизи коллектора в условиях вакуума или вне его находится согласованный поглотитель, как в ЛОВ-О.

Частота генерации ЛОВ типа М перестраивается изменением анодного напряжения в пределах 25—35 % средней частоты, причем модуляционная характеристика f(E_a) достаточно линейна — откло­нения ее крутизны от постоянного значения не превышают 10 % и связаны с дисперсионными свойствами замедляющей системы. Выходная мощность достигает единиц киловатт в коротковолновой части дециметрового диапазона. КПД таких генераторов составляет около 50 % для приборов дециметрового диапазона и снижается до 30 % для ЛОВ типа М сантиметрового диапазона. Основное приме­нение ЛОВ типа М — создание радиопомех в системах радиоэлект­ронной борьбы.

13.6. Формирование модулированных колебаний в приборах типа м

Импульсная модуляция в магнетронных автогенераторах осу­ществляется подачей на катод отрицательных видеоимпульсов напряжения, поскольку массивный анодный блок заземлен по посто­янному току. На вольт-амперной характеристике магнетрона (см. рис. 13.8, а) можно выделить два участка: при анодном напряжении, меньшем порогового значения E_a(t) < E_{a. пор}, анодный ток очень мал; при E_a(t) = E_a.nop возникает генерация, пороговый (пусковой) ток обозначают I_0пор. При E_a(t) > E_a.nop зависимость выходной мощ­ности Р_н(Е_а) можно считать пропорциональной превышению постоянной составляющей анодного тока над пороговым значением Р_н ≈ kВ(I₀ -I_{0 пор}), где k — коэффициент пропорциональности; В — индукция магнитного поля. Рабочее значение анодного напряжения на 10—15 % превышает значение Е_апор. Таким образом, при учете длительности

фронтов модулирующего импульса, огибающая высо­кочастотного сигнала имеет более крутые фронты, а длительность высокочастотного импульса на 20—30 % меньше, чем длительность модулирующего. Неравномерность плоской вершины модулирую­щего импульса анодного напряжения E_a(t) приводит к заметной нежелательной неравномерности огибающей высокочастотного сиг­нала и к паразитному электронному смещению частоты генерации.

Требования к импульсным модуляторам (рис. 13.19), формирую­щим сигнал E_a(t), достаточно высоки по отношению к длительности переднего фронта и к допустимой неравномерности на вершине. Их выполнение осложняется высокими напряжениями и мощностью модулятора, сравнимой с мощностью СВЧ-каскада, нелинейной нагрузкой для модулятора, малой длительностью модулирующего импульса и необходимостью иметь высокий КПД модулирующего каскада для сохранения экономичности устройства, включающего в себя модулятор и модулируемый автогенератор.

Разработаны схемы мощных ламповых модуляторов с частичным разрядом накопительной емкости или с формирующими импульс эквивалентами длинных линий [1, 2, 4]. На рис. 13.19 показан при­мер принципиальной схемы модулятора на тиратроне Т с трехзвен-ным эквивалентом формирующей импульс линии (ИЛ). В проме­жутке между импульсами происходит резонансный заряд емкости линии через зарядную индуктивность L_зар и диод Д1. После зажига­ния тиратрона происходит полный разряд накопительной линии,

Рис. 13.19. Электрическая схема магнетронного генератора с импульсным моду­лятором на тиратроне с полным разрядом накопителя в виде эквивалента длин­ной линии

который формирует на вторичной обмотке импульсного трансформа­тора ИТ, модулирующее магнетрон напряжение E_a(t). Диод Д2 и ограничивающий резистор R_oгp служат для исключения колебатель­ных процессов после окончания разряда.

Модуляция частоты автоколебаний производится в специально разработанных приборах — митронах или ЛОВ типа М путем изме­нения анодного напряжения при фиксированном значении напряже­ния на управляющем электроде, которое задает значение постоянной составляющей анодного тока и соответственно выходной СВЧ-мощ-ности. В митроне и в ЛОВ типа М отклонение крутизны модуляцион­ной характеристики S_M = df/dE_a от постоянного значения мало, что облегчает формирование сигналов с модуляцией или манипуляцией частоты по заданному закону. Задержка изменения частоты после скачка анодного напряжения в митронах и в ЛОВ типа М не превы­шает трех периодов несущего колебания. Наиболее существенные ограничения на полосу спектра модулирующих частот возникают в модуляторах: мощность устройства, модулирующего частоту, оказы­вается сравнимой со значением выходной высокочастотной мощ­ности из-за того, что модуляция производится при рабочем токе генерирующего прибора. В реальных конструкциях полоса модули­рующих частот для митронов и ЛОВ типа М не превышает сотен мегагерц.

Специфической особенностью СВЧ-генераторов, связанных с нагрузкой с помощью длинной линии передачи, является зависимость частоты генерации и мощности колебаний в нагрузке от параметров линии и качества ее согласования. В модулируемых по частоте каска­дах фазовый сдвиг между падающим и отраженным от нагрузки сигна­лами в сечении автогенератора будет изменяться в зависимости от текущей рабочей частоты. Следовательно, модуляционная характери­стика генератора с учетом длинной линии передачи может отличаться от паспортной для данного прибора в пределах значения затягивания частоты (см. п. 13.4.3). Могут проявляться дополнительная волнис­тость или даже скачки частоты. Для устранения таких явлений нужно улучшать согласование в соответствии с (13.11).

Контрольные вопросы и задания

1. Какой режим работы магнетронного генератора обеспечивает более высокий КПД при соблюдении условия синхронизма: при малых Е_а и В вблизи пара­болы критического режима или при больших значениях Е_а и В?

2. Какие преимущества имеют колебания вида я в магнетронах?

3. Как выбираются напряженности электрического и магнитного полей в маг­нетронных автогенераторах?

4. Из каких соображений выбирается число резонаторов в магнетронном авто­генераторе?

5. Как определить коэффициент затягивания частоты по нагрузочным характе­ристикам магнетрона?

6. Чем различаются характеристики СВЧ-автогенератора связанного с нагруз­кой длинной линией передачи, при работе в непрерывном и импульсном режимах?

7. Почему амплитронные усилители не используют при малой мощности вход­ного сигнала?

8. Чем ограничены диапазон и скорость электронной перестройки частоты в автогенераторе на митроне?

9. Чем отличается форма огибающей СВЧ-сигнала от формы модулирующего импульса в импульсном магнетроне?

10. В 12-резонаторном магнетроне с радиусом катода 4 мм и радиусом анода 6 мм генерируются колебания вида к на частоте 10 ГГц при магнитной индукции 0,1 Тл. Какое анодное напряжение нужно обеспечить для его работы?

11. Магнетронный генератор, работающий с амплитудой импульсов анода напряжения 10 кВ при длительности импульсов 1 мкс и частоте повторения 1 кГц, обеспечивает в нагрузке импульсную мощность 50 кВт. Приняв КПД модулятора 80 %, КПД линии связи 90 % и электронный КПД магнетрона 80 %, найти среднюю потребляемую модулятором мощность и ток источника питания модулятора.

12. Магнетронный генератор при полном согласовании с нагрузкой генерирует колебания на частоте 10 ГГц. Коэффициент затягивания частоты составляет 50 МГц. Найти наибольшую длину линии, при которой нет опасности перескоков частоты, если фазовая скорость волны в линии составляет 2 * 10⁸ м/с, а коэффициент стоячей волны не превышает 1,4.

Глава четырнадцатая

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДНЫЕ

СВЧ-ГЕНЕРАТОРЫ

___________________________________________________