112
Глава 8 ПЛАТИНОТРОН (АМПЛИТРОН И СТАБИЛОТРОН)
Платинотрон—усилительный или генераторный прибор со скрещенными электрическим и магнитным полями (типа М), имеющий сходство как с лампой обратной волны типа М (см. гл. 6), так и с многорезонаторным магнетроном (см. гл. 7). Сходство с ЛОВМ заключается в использовании взаимодействия электронов с полем обратной пространственной гармоники в обычной (разомкнутой) замедляющей системе, а сходство с многорезонаторным магнетроном—в замкнутости электронного потока. Ниже рассмотрены усилительный платинотрон (амплитрон) и генераторный платинотрон (стабилотрон).
§8.1.Принцип работы амплитрона
Устройство амплитрона (рис. 8.1) имеет много общего с магнетроном. Как и в многорезонаторном магнетроне, имеется сплошной цилиндрический катод и анодный блок с резонаторами. В магнетроне замедляющая система, образованная цепочкой резонаторов, замкнута, а в амплитроне разомкнута. Последнее обычно достигается разрывом системы связок. СВЧ-сигнал возбуждает через связки поле в резонаторах. Усиленный сигнал выводится с другого конца связок.
В амплитроне рабочей является обратная пространственная гармоника. В этом состоит сходство амплитрона с ЛОВ типа М. Чтобы не происходило, как в магнетроне, самовозбуждения на л-виде колебаний, число резонаторов в амплитроне обычно нечетное.
Таким образом, амплитрон имеет много общего с многорезонаторным магнетроном и ЛОВМ. Для наглядности сравнения амплитронов с другими приборами типа М на рис.
8.2приведены схемы амплитрона, многорезонаторного
магнетрона, генераторной и усилительной ЛОВМ. У |
Рис. 8.1 |
|
магнетрона замкнутые электронный поток (спицы) и |
|
|
колебательная система |
|
|
|
|
|
|
|
|
.
Рис. 8.2
ЛОВМ имеют незамкнутые (ленточный) электронный поток и колебательную систему. Амплитрон занимает промежуточное положение: у него, как у магнетрона, замкнутый электронный поток, и, как у ЛОВМ, незамкнутая СВЧ-система. Амплитрон сохраняет преимущества магнетрона (высокий КПД, простота устройства, малые габариты) и ЛОВМ (усиление колебаний в сравнительно широкой полосе частот, определяемой в основном полосой пропускания используемых разомкнутых замедляющих систем). В магнетронах
113
колебательная система узкополосная, так как она является замкнутой системой из высокодобротных резонаторов.
Электронный поток в амплитроне возвращается к началу пространства взаимодействия (куда подводится входной сигнал) сгруппированным в виде спицы, начинающейся у катода и заканчивающейся на аноде. Все спицы в пространстве взаимодействия одинаковы.
Спицы пространственного заряда должны иметь, такую же периодичность, как и СВЧполе усиливаемого сигнала. Электронный поток устойчив, если
(8.1)
где N— число сегментов анодного блока; ϕ – сдвиг фазы СВЧ-поля на одну ячейку анодного блока. Условие (8.1) аналогично условию цикличности СВЧ-поля в магнетроне. Амплитрон может работать на частотах сигнала, для которых фазовый сдвиг на ячейку из
(8.1) равен
(8.2)
Действительно, в этом случае спица, образующаяся в тормозящем СВЧ-поле, совершив один оборот вокруг катода, снова попадает в максимум тормозящего поля и будет взаимодействовать с ним и т. д. Если частота не удовлетворяет условию (8.2), то спица после одного оборота не попадает в прежнюю фазу входного сигнала. Если сдвиг по фазе ψ окажется больше ±90°, спицы после одного оборота попадают в ускоряющее поле и будут распадаться. Это рассуждение позволяет приближенно определить полосу пропускания амплитрона из соотношения
(8.3)
114
§ 8.2. Параметры и характеристики амплитрона
Амплитудная характеристика. Наибольший интерес представляет амплитудная характеристика амплитрона (рис. 8.3). Экспериментально обнаружено, что амплитрон устойчиво работает в ограниченной области входных сигналов, причем ширина этой области зависит от постоянной мощности P0=I0U0. При выбранной величине P0 имеется минимальный сигнал Рвх.мин, начиная с которого в амплитроне происходит усиление. Поясним эту особенность амплитрона.
При слабом сигнале не происходит формирования устойчивых спиц пространственного заряда, необходимых для нормальной работы амплитрона. Но при определенной достаточно большой мощности входного сигнала Рвх.мин, частота которого лежит в области рабочих частот амплитрона, происходит формирование спиц, обеспечивающих усиление входного сигнала. Однако далее выходная мощность слабо растет при увеличении входного сигнала, т. е. амплитрон переходит в режим насыщения. Для увеличения Рвых и коэффициента усиления при том же входном сигнале необходимо увеличение мощности источника питания Р0. В режиме насыщения Рвых и КПД максимальны, но коэффициент усиления невелик. Поэтому амплитрон оказался удобным прибором для усиления очень больших входных сигналов и получения больших КПД, т. е. для применения в мощных оконечных каскадах усилителей.
Амплитудно-частотная характеристика. Полоса рабочих частот амплитрона в основном ограничена условием замкнутости электронного потока. Кроме того, она зависит от режима работы и степени согласования в элементах ввода и вывода энергии. В амплитроне полоса сильно зависит от амплитуды входного сигнала, с ростом которого полоса увеличивается. Полоса рабочих частот амплитрона достигает 5— 10%.
Нагрузочные характеристики амплитрона. Характерная особенность амплитрона—слабое влияние нагрузки на выходную мощность. Линии постоянной мощности на нагрузочной диаграмме близки к окружности.
Фазочастотная характеристика и электронное смещение фазы. Фазочастотная характеристика, снимаемая при постоянном анодном токе в типовом амплитроне в пределах изменения частоты ±50 МГц от среднего
значения практически линейна (отклонение не более 4°).
Изменение электрического режима амплитрона (тока или напряжения) приводит к дополнительному небольшому изменению фазы выходного сигнала относительно Т а б л и ц а 7
Параметры некоторых амплитронов и стабилотронов
входного — электронное смещение фазы (ЭСФ).
115
Величина ЭСФ обычно не превышает 0,5—0,8° на 1% изменения анодного тока. Малое ЭСФ также является важной особенностью амплитрона.
Выходная мощность и КПД. В амплитроне принципиально не существует ограничения на выходную мощность. Однако практически она определяется эмиссионной способностью катода и допустимой мощностью, рассеиваемой на аноде. В непрерывном режиме мощность достигает 500 кВт, а в импульсном—10 МВт. Обычно амплитроны имеют КПД не менее 55—60%, а отдельные типы мощных и сверхмощных приборов 70— 85%. В табл. 7 приведены параметры некоторых амплитронов.