книги из ГПНТБ / Капышев, В. И. Радиопередающие устройства сверхвысоких частот [учеб. пособие]

89

характеристиками обычных электронных ламп, дающими зави­ симость анодного тока от анодного напряжения при постоян­ ной нагрузке и фиксированном смещении на сетке, иногда называют динамическими характеристиками магнетрона. Малый наклон динамических характеристик свидетельствует о силь­ ной зависимости анодного тока от напряжения, вследствие чего контроль режима работы магнетрона оказывается более удобным осущ ествят не по напряжению, а по анодному то­ ку.

Магнетрон как нагрузка для источника питания (импульсного модулятора) характеризуется двумя величи­ нами: сопротивлением постоянному току Ro и дифференциаль­ ным сопротивлением Rg,, Величины Ro и ffp. опреде­ ляются соотношениями

магнетрон как нелинейное сопротивление. Для типовых маг­ нетронов соотношение этих сопротивлений определяется

ный заряд приобретает форму круглого ротора без отчет­ ливо выраженных спиц. Такой режим магнетрона называют доколебательным. В этом режиме магнетрон генерирует слабые колебания шумового характера, вызванные неста­ ционарным взаимодействием флюктуаций высокочастотного поля с электронным потоком. В доколебателъном режиме имеется малый и неустойчивый по величине анодный ток, наблюдаемый как дрожание стрелки прибора, измеряющего За,

90

Из расчета первой гармоники тска, наводимого "спи­ цами" сгруппированного пространственного заряда на се­ гментах анодного блока, можно получить следующее выра­ жение для выходной мощности магнетрона:

ется линейной функцией магнитной индукции и тока. Для выяснения общего характера кривых постоянной мощности следует иметь в виду, что при фиксированном значении

ниях анодного напряжения и тока.

Выходная мощность возрастает как с увеличением анодного тока, так и с увеличением анодного напряжения и магнитной индукции. При больших значениях тока появ­ ляется искрение катода, которое может разрушить катод. Зависимость к .п .д . от тока и напряжения более

сложная. При заданной величине анодного тока к .п .д ., так же как и выходная мощность, растет с увеличением анодного напряжения. При неизменном анодном напряжении с увеличением тока к .п .д . сначала возрастает, дости­ гает максимального значения, а затем падает. Такой ха­ рактер зависимости к .п .д . от анодного тока определяет­ ся внутренними электронными процессами, влиянием фа­ зовой фокусировки и потерями в колебательной системе.

При малом токе фокусирующий эффект радиальной со­ ставляющей переменного тока мал, так как мало само электрическое поле. При недостаточной фокусировке, полу-

91

чается низкий к .п .д ., так как значительная часть нахо­ дится в неблагоприятной фазе с точки зрения наилучшего взаимодействия тангенциальной составляющей переменного электрического поля, а также по причине относительно большой утечки электронов из пространства взаимодей­ ствия в торцовые области анодного блока.

При очень больших токах фокусирующее действие ра­ диальной составляющей ограничено эффектом дефокусиров­ ки вследствие очень большой плотности заряда, приводя­ щей к сильному отталкиванию электронов в движущемся электронном потоке. Поэтому при больших значениях анодного тока увеличение тока вызывает более медлен­ ный рост выходной мощности. Потери же в колебательной системе магнетрона, которые можно считать приблизи­ тельно пропорциональными квадрату тока, становятся на­ столько значительными, что к .п .д . магнетрона снижает­ ся.

Таким образом, при заданной величине анодного на­ пряжения существует некоторое оптимальное значение то­ ка, находящееся между рассмотренными выше крайними значениями, при котором получается наиболее высокий к .п .д .

Мощность, генерируемая магнетроном, определяется через к .п .д . следующим образом:

Рвых - Ро%= Ра%Eci .

Электронное смещение частоты. Для всей области рабочих характеристик магнетрона частота колебаний имеет примерно одно значение, соответствующее часто­ те колебаний вида ЗР. Имеются,однако, малые изме­ нения частоты при изменении режима работы магнетрона.

Изменение частоты в зависимости от величины анод­ ного тока при постоянной индукции к высокочастотной

92

нагрузке магнетрона называют явлением электронного сме­ щения частоты (ЭСЧ). График этой зависимости представлен на рис. 3 .1 0 .

Рис. .3 ,1 0 . Электронное смещение частоты в магнетроне

Наблюдаемые изменения частоты объясняются влиянием реактивной проводимости электронного потока B e .

Колебательную систему магнетрона, схе*~а которой представлена на рис. 3.2 для колебаний вида 2F , мож­

Рис. 3,1 1 . Эквивалетная схема магнетрона

На этой схеме J / е - электронная проводимость, учи­ тывающая действие на колебательную систему всего электрон ного потока:

Уе =Ge +}Вег

Б эквивалетной схеме на рис. 7.14,6 проводимость контура У к а Ун = (гн + ]3н - пере­ считанная к зажимам контура проводимость нагрузки. При этом пересчете петлю связи можно рассматривать как идеаль ный трансформатор с коэффициентом трансформации

Электронное смещение частоты связано с изменением реактивной проводимости Be . При работе магнетрона электронный ротор вращается синхронно с высокочастотным полем, однако может иметь место некоторый сдвиг ротора пс фазе по сравнению с идеальным случаем, когда центры сгустков электронов попадают в максимальное тормозящее поле. Если сгустки сдвинуты в сторону отставания, то ре­ активная проводимость Be будет положительная, т .е . ем-

•95

Нагрузочные характеристики отражают зависимость генерируемой частоты и мощности от параметров нагрузки: модуля и фазы коэффициента отражения нагрузки.

Нагрузка вносит в колебательную систему магнетрона активную и реактивную проводимости, изменение которых приводит к вариации частоты и мощности на выходе магне­ трона. Явление зависимости частоты генератора от 'пара­ метров нагрузки называется затягиванием частоты.

Магнетрон обычно работает не непосредственно на нагрузку, а на передающую линию (коаксиальную или вол­ новодную), соединяющую его с нагрузкой. Магнетрон с под­ ключенной к нему нагрузкой может быть представлен эквивалетной схемой, изображенной на рис. З .П . Входная

уl~rs~J2rsin У

В стационарном режиме генератора выполняются усло­ вия равенства нулю суммы активных и реактивных состав­ ляющих проводимостей (баланс амплитуд и фаз):

Если пренебречь изменением реактивной электронной про­ водимости 8 е , то подключение небольшой по величине проводимости нагрузки Ви лриводит_к изменению часто­ ты, которое может быть получено из (3 .2 0 )’■

97

Затягивание частоты, как видно из рис. 3,12 ,4, равно удвоенному значению частоты, определяемой из выражения (3.23):

который понимается затягивание частоты при коэффициен­

Коэффициент затягивания частоты является важным пара­ метром современных генераторов диапазона СВЧ. Если из­ вестна величина Fo , нетрудно вычислить затягивание частоты при любой другой величине КСВН нагрузки:

ротность резонаторной системы генератора. Требование малого затягивания не совпадает с условием отдачи максимальной мощности. Требование большой величины внешней добротности обусловливает малую связь гене­ ратора с нагрузкой и, следовательно, меньшую величи­ ну мощности в нагрузке.

На рис. 3 .12,6 представлены графики изменения мощности в зависимости от модуля и фазы коэффициента отражения. Из приведенных графиков следует, что изме­ нение мощности в зависимости от фазы нагрузки носит периодический характер, причем с увеличением модуля коэффициента отражения перепад мощности в нагрузке' возрастает.

Следует обратить внимание на то, что увеличение

совании нагрузки могут достигать значительных величин, что является нежелательным явлением в передающем устройстве. Особенно высокие требования предъявляют­ ся к стабильности частоты.

Рис. 3,12. Зависимость частоты (а) и мощности (б) от параметров нагрузки

Зависимость частоты и мощности автогенератора от нагрузки, как видно из рис. .3 .1 2 ,,можно уменьшить, улучшив согласование нагрузки с передающей линией. В тех случаях, когда фаза коэффициента отражения изменяется незначительно и дальнейшее улучшение согласо­ вания невозможно, стабильность частоты автогенератора можно повысить, включив в передающую линию устройство для регулировки фазы - фазовращатель. С помощью фазо­ вращателя устанавливается такая фаза, при которой ва­ риация частоты при изменении фазы нагрузки в неболь­ ших пределах минимальная.