книги из ГПНТБ / Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник

Связки представляют собой проволочные или ленточные про­ водники, расположенные над торцами анодного блока и присоединен­ ные в определенной последовательности к его сегментам. На рис. 7.12, а показан вариант двойных кольцевых связок. Каждая связка присоединена к анодному блоку через один сегмент. Если р магнетроне возбуждены колебания я-вида, то каждая связка сое­ диняет точки с одинаковым потенциалом. Поэтому связки не изме­ няют распределения поля. Однако между связкой и анодным блоком имеется емкость, которая понижает резонансную частоту я-вида

(п < N12). Тогда те же точки присое­ динения связок уже не имеют одина­ ковый потенциал. По связкам потекут уравнительные токи, влияние кото­ рых эквивалентно подключению ин­ дуктивности параллельно двум резо­ наторам. Это повышает частоты не ра­ бочих видов колебаний.

На рис. 7.13 показана зависимость частоты видов колебаний от: номера п для восьмирезонаторного магнетрона со связками и без них. В результате применения связок частота я-вида колебаний уменьшилась и повысилась частота других видов, т. е. увеличилось разделение частот. Разделение может достигать 20% и более.

Применение связок, правильный выбор рабочего напряжения и его стабилизация позволяют подавить паразитные виды колеба­ ний в магнетроне с непрерывным режимом работы. Однако в им­ пульсных магнетронах существует опасность возбуждения паразит­ ных видов колебаний на переднем фронте импульса. Уже отмеча­ лось, что ниже пороговой прямой, соответствующей я-виду колеба­ ний, располагаются пороговые прямые для пространственных гар­ моник других видов колебаний (низковольтные виды). При очень пологом фронте импульса, т. е. при малой скорости нарастания напряжения могут успеть установиться колебания этих видов. Для того чтобы низковольтные колебания не возбуждались совсем или не успели нарасти до заметной амплитуды, необходимо начальную часть фронта 1 импульса (рис. 7.14) сделать крутой. В части 2 фрон­ та, которая соответствует напряжению возбуждения я-вида коле­ баний, наклон необходимо уменьшить, чтобы успели установиться колебания этого вида. Идеализированный импульс напряжения такой формы и показан на рис. 7.14. К форме импульса: предъявляют­ ся серьезные требования, для”каждого типа магнетрона необходима оптимальная форма импульса.

Возможно эффективное подавление паразитных видов колеба­ ний при синхронизации (подвозбуждении) магнетрона от генератора, частота которого совпадает с частотой я-вида колебаний.

127

§ 7.5. Параметры и характеристики многорезонаторного магнетрона

Электронный к. п. д. Приближенно будем считать, что макси­ мальная потенциальная энергия электрона, которая может перейти в энергию СВЧ-поля при анодном напряжении Uа, Wn = eUa. Однако часть этой энергии преобразуется в кинетическую энергию электрона и рассеивается в виде тепла при соударении электронов с анодом WK= тѵ\/2, где ѵа — скорость электрона у анода. Поэ­ тому электронный к. п. д. можно определить по формуле

1Ъ - (Wa - WK)/W n = 1 - W JW a = 1 - W jeU a. (7.25)

Рассмотрим наихудший случай, когда электрон попадает на анод с максимальной скоростью, которую можно считать равной скорости электрона в верхней точке циклоиды. По формуле (5.13)

^а.макс= ~ 2Е/В Ä/ ‘lU а!dB, (7.26)

где уп — скорость переносного движения; Е — напряженность ста­

с режимом работы магнетрона, определяемым анодным напряже­ нием и индукцией. В критическом режиме Uа = Ua кр, В = Вкр и т)э = 0. В этом случае, как уже указывалось ранее, нет самовоз­ буждения. Чем сильнее режим работы отличается от критического, тем выше электронный к. п. д. В реальных многорезонаторных маг­ нетронах электронный к. п. д. достигает 50—70% и более. Как правило, магнетрон — это мощный генератор СВЧ-колебаний, для которого получение значительного электронного к. п. д. весьма существенно.

Рассмотрим влияние индукции В на электронный к. п. д. Ве­ личины Uа и В в (7.27) связаны условием синхронизма. Эта связь изображается пороговыми прямыми в соответствии с уравнением (7.19). Подставляя (7.19) непосредственно в (7.27), для нулевой пространственной гармоники, получаем

128

По формуле (7.28) с увеличением индукции В происходит рост электронного к. п. д. При увеличении В приходится пропорциональ­ но увеличивать Uа, чтобы сохранилось условие синхронизма (на­ хождение на одной пороговой прямой). Поэтому переносная ско­ рость . ѵп и максимальное значение скорости около анода оа.макс в (7.28) остаются неизменными. Таким образом, в (7.25) энергия WKне изменилась, а увеличилась из-за роста анодного напря­ жения Uа, следовательно, электронный к. п. д. должен возрасти.

Из (7.28) можно также сделать очень важный вывод' о зависимо­ сти электронного к. п. д. от номера вида колебаний при постоянной индукции В. Наибольший к. п. д. получают при зх-виде колебаний,

так как с ростом п к. п. д. увеличивается. На рис. 7.15 показана

•теоретическая зависимость электронного к. п. д. от индукции В и номера вида п. В соответствии с (7.28) кривые имеют вид гипербол.

Электронное смещение частоты. Электронным смещением час­ тоты называют зависимость частоты генерируемых колебаний от анодного тока. Анодный ток / а изменяют регулировкой анодного напряжения. Однако зависимость / а от Uа, изображаемая вольтамперной характеристикой (см. рис. 7.10, б), очень сильная, поэ­ тому режим работы магнетрона устанавливают и контролируют не по величине Uа, а по постоянной составляющей анодного тока. В связи с этим и изменения частоты изображают как функцию

малых анодных токах; она может составлять несколько десятков

мегагерц на ампер или больше.

Рабочие характеристики. Рабочими характеристиками маг­ нетрона называют связь между анодным напряжением и током при постоянных мощности, к. п. д., частоте или индукции поля,т. е. эти характеристики позволяют выбрать режим работы (Uа, I а) при заданных мощности, к. п. д., частоте или индукции. Рабочие ха-

рактеристики снимают при высокочастотной нагрузке, для которой коэффициент стоячей волны напряжения КСВН < 1,1.

Связь Uл и / а при В = const называют вольт-амперной харак­ теристикой магнетрона (кривой постоянной индукции) (рис. 7.17, а). Объяснение хода вольт-амперных характеристик непосредственно следует из диаграммы рабочих режимов (см. рис. 7.10, а). Возбуж­ дение колебаний начинается при пороговом напряжении. Дальней­ шее повышение Ua приводит к быстрому возрастанию / а. При переходе к другому значению индукции характеристика смещается, так как самовозбуждение в соответствии с диаграммой рабочих режимов начнется при большем t/a.

Рис. 7.17

В областях малых и очень больших токов наблюдается неустой­ чивая работа. При малых токах возможны «перескоки» с рабочего вида колебаний на другие (низковольтные), при больших токах воз­ никают искрения (пробои), которые могут привести к разрушению катода или к пропаданию (пропуску) отдельных импульсов в им­

связь £/а и / а при заданной мощности изображалась бы гипербо­ лой. В действительности т] э зависит от / а и поэтому кривые постоян­ ной мощности отклоняются от гиперболы. Кривые постоянной час­ тоты определяются электронным смещением частоты.

Все рабочие характеристики изображают на одном графике, однако обычно кривые постоянной частоты на этом графике не приводят, так как более удобно пользоваться отдельными кривыми электронного смещения частоты (см. рис. 7.16).

§ 7.6. Особенности устройства и параметры

многорезонаторных магнетронов

Различные по назначению магнетроны перекрывают диапазон частот от 300 МГц до 300 ГГц. Выходная мощность магнетронов непрерывного действия составляет от долей ватта до нескольких

130

десятков киловатт, а магнетронов импульсного действия — от 10 Вт до 10 МВт. Электронный к. п. д. магнетронов может превы­ шать 70%. Полный к. п. д., равный произведению электронного к. и. д. и к. и. д. колебательной системы, также высокий, так как собственная добротность резонаторов велика (порядка 1000). Маг­ нетроны используют в мощных передающих устройствах, напри­ мер, в передатчиках радиолокационных станций. Магнетроны при­ меняют также в ускорителях заряженных частиц и в установках для высокочастотного нагрева.

Основные элементы магнетрона: анодный блок (колебательная система), катодный блок, узел вывода СВЧ-энергии, система пе­ рестройки частоты и магнитная система. Часть из этих элементов показана на рис. 7.1.

Катод магнетрона должен обеспечивать большую плотность эмис­ сии: от 3 до 100 А/см2 и более. Отличительная особенность работы катода магнетрона — это наличие интенсивной бомбардировки като­ да электронами, возвращающимися из пространства взаимодействия (электроны в неблагоприятной фазе). Чтобы не нарушить темпе­ ратурный режим катода и не снизить его срок службы, можно после начала генерации уменьшить напряжение накала. В некоторых магнетронах введено принудительное охлаждение катодного узла.

Для созданиялмагнитного поля обычно используют постоянные магниты, но в мощных магнетронах и электромагниты. Индукция поля составляет 0,1—0,5 Т, причем большие значения обычно со­ ответствуют магнетронам с меньшей длиной волны и импульсным магнетронам.

В некоторых магнетронах магниты конструктивно составляют единое целое с вакуумной камерой. Такие магнетроны называют

пакетированными.

Число резонаторов в анодном блоке зависит от рабочей частоты и изменяется от 8 до 40 при переходе из сантиметрового в миллимет­ ровый диапазон волн. Резонаторы могут быть щелевые (см. рис. 7.12), типа «щель — отверстие» (см. рис. 7.1) и лопаточного типа (сектор­ ные резонаторы). Для улучшения охлаждения наружную поверх­ ность блока делают большой (ребра). В мощных магнетронах

стемы.

Выпускают магнетроны, работающие на фиксированной частоте, и магнетроны, частоту которых можно перестраивать в небольшом диапазоне (от 5 до 10%) механическим изменением емкости или ин­ дуктивности резонаторов (перестраиваемые магнетроны). Механи­ ческая перестройка инерционна и по величине диапазона недоста­ точна для некоторых применений.

При исследовании электронного смещения частоты в магнетро­ нах было обнаружено, что в случае недокала катода и низкой доброт-

ности колебательной системы можно получить почти двукратное изменение частоты генерируемых колебаний. Эти исследования привели к созданию нового класса приборов магнетронного типа —

митронов.

Схема митрона показана на рис.7.18. Высокочастотной систе­ мой митрона служит встречно-штыревая структура, свернутая в кольцо. Штыри крепят на двух дисках. Структура связана с внеш­ ней колебательной системой, имеющей низкую добротность (1,5—10). Внутри высокочастотной анодной структуры находится холодный катод. Горячий катод, эмиттирующий электроны, расположен ниже анодной структуры. Между горячим катодом и анодной структурой

При регулировке анодного напряжения изменяются напряжен­ ность радиального электрического поля в пространстве взаимо­ действия и скорость вращения спиц вокруг холодного катода. Это должно вызывать электронное смещение частоты. С изменением частоты в узких пределах (5—20%) выходная мощность митронов в непрерывном режиме составляет 3—150 Вт, а при широких пре­ делах (примерно до двух раз) — 0,5—3 Вт. Достоинство митронов — хорошая линейность частотной характеристики и безынерционность перестройки частоты.

Обычно в магнетроне рабочим является я-вид колебаний. В § 7.4 рассмотрена стабилизация этого вида колебаний. Устойчивое воз­ буждение колебаний я-вида можно обеспечить применением высо­ кодобротного контура, связанного с резонансной системой магнет­ рона. Собственная частота этого стабилизирующего контура долж­ на быть равна частоте я-вида колебаний. Такой способ выделения я-вида колебаний используется в коаксиальном магнетроне (рис. 7.19).В нем снаружи анодного блока расположен резонатор, связанный с помощью щелей с резонаторами анодного блока через

132

один. Так как коаксиальный резонатор возбуждается на типе коле-' баний Н0ц , т0 такое расположение щелей способствует возбужде­ нию колебаний я-вида (между щелями сдвиг фазы 2я), т. е. колеба­ ния в резонаторах со щелями синфазные.

В коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазонах волн применяют обращенный коаксиальный магнетрон

(фрагмент показан на рис. 7.20), в котором сплошной катод рас­ положен снаружи анодной резо­ наторной системы, а стабилизи­ рующий коаксиальный резона­ тор сделан внутри анодного бло­ ка, по оси прибора. Связь коак-

катод

Пространство

взаимодействия

Стабилизирующий

резонатор

Рис. 7:20

спального резонатора с резонаторами анодного блока осущест­ вляется как в обычном коаксиальном магнетроне — через щели. Добротность коаксиального резонатора больше, а следовательно, его стабилизирующее действие лучше.

Рис. 7.21

Большой интерес представляет нигѳтрон — магнетронный при­ бор, предложенный П. Л. Капицей. Анод и катод ниготрона — это две системы ламелей типа «беличье колесо», помещенные в отрезок цилиндрического волновода так, что основание отрезка волновода

133

(резонатора) примыкает к торцу беличьего колеса. Резонатор воз­ буждается через торцовую часть беличьего колеса на волне типа Н011. Значительное увеличение добротности колебательной системы (до 9000—18 000) обеспечивает высокую стабильность частоты генерируемых колебаний. Выходная мощность ниготрона в деци­ метровом диапазоне волн в непрерывном режиме может превышать 100 кВт при к. п. д. порядка 50%. Имеется возможность дальней-

Т а б л и ц а 5

Параметры некоторых магнетронов

шего увеличения мощности последовательным включением в вол­ новод нескольких ниготронов.

В табл. 5 приведены параметры многорезонаторных магнетро­ нов и его разновидностей, а на рис. 7.21—внешний вид импульс­ ного магнетрона.

ГЛ АВА 8

ПЛАТИНОТРОН (АМПЛИТРОН И СТАБИЛОТРОН)

§ 8.1. Принцип работы амплитрона

Платинотрон, работающий в усилительном режиме, называют амплитроном, а в генераторном режиме с высокой стабильностью частоты, — стабилотроном. Устройство амплитрона (рис. 8.1) имеет много общего с магнетроном. Как и в многорезонаторном магнет­

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.

Электроны, эмиттированные с поверхности катода, входят в про­ странство взаимодействия. Как и в магнетроне, под действием маг­ нитного поля и постоянного электрического поля около катода создается замкнутое электронное облако, которое вращается вокруг

134

катода с некоторой угловой скоростью £2Э. Если эта скорость равна фазовой скорости одной из пространственных гармоник СВЧ-поля, поступающего на вход амплитрона, то начинается процесс взаимодействия. В результате группирования образуются спицы про­ странственного заряда, электроны передают свою потенциальную энергию СВЧ-полю, а сами попадают

замкнутые (ленточный) электронный поток и колебательную си­ стему. Амплитрон занимает промежуточное положение: у него,

как у магнетрона, замкнутый электронный поток и, как у ЛОВМ незамкнутая СВЧ-система. Амплитрон сохраняет преимущества магнетрона (высокий к. п. д., простота устройства, малые габа­ риты) и ЛОВМ (усиление колебаний в сравнительной широкой полосе частот, определяемой в основном полосой пропускания используемых разомкнутых замедляющих систем). В магнетронах колебательная система узкополосна, так как она является замкну­ той системой из высокодобротных резонаторов.

135

Амплитрон очень удобен для усиления больших входных сиг­ налов и получения высоких выходных мощностей. Поясним этот вывод с помощью рис. 8.3, на котором показано изменение границ электронного потока при последовательном переходе от ЛБВМ

к амплитрону.

Ранее (см. § 6.1) отмечалось, что в ЛБВМ при очень большом входном сигнале электроны начинают попадать на анод, не доходя до конца замедляющей системы (см. рис. 8.3, а). Это приводило

Рис. 8.3

к прекращению роста выходной мощности, т. е. к насыщению. При дальнейшем увеличении входного сигнала группировка проис­ ходит более интенсивно и электроны еще раньше попадают на анод.

Длина пути, на котором происходит взаимодействие, становится меньше (см. рис. 8.3, б), но выходная мощность в обоих случаях остается практически одинаковой. Дальнейшее увеличение выход­ ной мощности происходит только с ростом числа электронов в пучке (тока пучка). Увеличение тока пучка в приборах типа М с инжекти­ рованным электронным потоком (ЛБВМ, ЛОВМ) представляет серьезную проблему из-за сложной электронной оптики этих при­ боров.

Предположим, что в ЛБВМ вместо одного катод а К сделано два, так что в статическом режиме образуются два подобных электрон-

136