книги из ГПНТБ / Самсонов, Д. Е. Основы расчета и конструирования магнетронов. (Настройка. Стабилизация. Вывод энергии. Холодные измерения)

чина токопрохождения

при давлений

водорода 0,1 мм рт. ст. йойтав^

ляла

всего 60%

и при

дальнейшем

повышении давления

резко

па­

дала.

Максимальный ток

пучка

/ п в

непрерывном режиме

при

диа­

метре

пучка 1,4

мм составлял 80

мА.

К корпусу резонатора припаивался стеклянный баллон, в кото­

ром находился

генератор

водорода,

обеспечивавший необходимое и

частоты резонатора от величины отношения

циклотронной

частоты

<Оц к частоте колебаний со при неизменном

токе пучка

/ п

= 20 мА

для разных плазменных сред — для аргона,

водорода

и

вакуума.

частоты получается

большим.

На

рис.

III.13

приведена

зависимость величины

перестройки

частоты

от

тока пучка для аргона (кривые /, 2) и для водорода

(кривая

3).

Максималь­

ная

перестройка

частоты

д f/f„

°/

наблюдается

при

опти-

п

мальной

концентрации

заряженных

частиц

в

плазме.

При

увеличении

собственной

длины

вол­

ны

резонатора

диапазон

перестройки

увеличива­

ется.

При

этом

макси­

мум

перестройки

частоты

смещается

в

область

меньших давлений

газа

(рис.

111.14).

При

осуществлении

электрической

настройки

магнетрона

дополнитель­

ное

(второе)

выход­

ное

устройство

резонато­

ра

с

плазменной

средой

может быть использовано

Рис.

III.14.

Зависимость

максимальной

величины

перестройки

частоты

от

давления

газонаполни­

теля.

5

5

73

I)

Л = 4

см

д л я

Аг;

2)

Х=

=3.2

см

д л я

Аг;

3)

А=3,2

см

р,

мм

рт.

д л я

Н 2 .

1.

Резкое

возрастание вносимых потерь

при заметном

увеличе­

нии диапазона

перестройки

частоты (tgd

возрастает до

значений

2.

Нелинейность кривых

настройки.

*

наторов,

в том

числе

и

магнетрона, при помощи сегне­

то-

или

п а р а э л е к т р и к о в

представляет

интерес

потому,

что

диэлектрические

постоянные

этих

м а т е р и а л о в

исчи­

сляются сотнями и тысячами единиц и

под

воздействи

ем постоянного и переменного электрических

полей

изменяются

в больших

пределах .

Д л я

этой

цели

при­

годны

такие

сегнето-

и п а р а э л е к т р и к и ,

к а к

титанат

ба­

рия

(сохраняющий

свои

свойства

до

температуры

Т =

= 125°С)

и

титанат

свинца

(сохраняющий

свои

свойст­

ва

до

температуры

Г = 500

С ) ,

титанат

стронция

и

др .

Основное физическое различие сегнето- и параэлек ­

триков состоит в следующем . Сегнетоэлектрики

эффек ­

тивно

р а б о т а ю т

при

температуре

н и ж е точки

Кюри,

а п а р а э л е к т р и к и - — в ы ш е

точки

Кюри .

П р и н а л о ж е н и и

внешнего

электрического

поля

диэлектрическая

посто­

я н н а я сегнетоэлектриков

увеличивается,

а

параэлектри ­

к о в — уменьшается . Д и э л е к т р и ч е с к а я

постоянная

е

у

па­

р а э л е к т р и к о в несколько

ниже, чем

у

сегнетоэлектриков.

П р о б и в н ы е

н а п р я ж е н и я

д л я сегнето-

и

п а р а э л е к т р и к о в

составляют

30

кВ/см

и

выше .

Д о с т и ж и м ы е

скорости

использовании

сегнетоэлектриков,

и

п р и б л и ж а ю т с я

к скоростям, достигаемым при электронной

перестройке

частоты.

Исследования

А.

И.

К а р н а у х а

показывают, что

в СВЧ д и а п а з о н е параэлектрики

имеют

значительно

меньшие потери и несколько меньшие

коэффициенты

нелинейности, чем сегнетоэлектрики. Поэтому

д и а п а з о ­

ны и крутизны настройки

п а р а э л е к т р и к о в

о к а з ы в а ю т с я

несколько меньшими, однако д л я практики

достаточно

большими . Б ы с т р а я

электрическая настройка

магнетро -

на в широком диапазоне частот д а н н ы м способом

м о ж е г

быть осуществлена с помощью тороидального резонато ­

ра,

сильно

связанного

с анодным блоком и заполненно ­

го

в центральной части

параэлектриком .

Электрическая настройка магнетрона изменением па­

раметров

ферромагнитной

среды.

Д а н н ы й

способ

элек­

трической

настройки

магнетронов

был

предложен

И. М. Вигдорчиком в

1955

г. и

широко описан в

лите­

ратуре [26—28].

зованы сплавы на

основе никеля (пермалой)

и твердые

растворы углерода очень малой концентрации

(сотые

доли

процента) и других элементов

(хром,

никель,

крем­

ний,

магний,

марганец, молибден и др.) в

ж е л е з е

альфа .

Последние известны к а к ферриты .

Ферриты

широко используются

в технике

С В Ч ; их

свойства хорошо

изучены. Поэтому

основное

внимание

ской

настройки магнетронов, в которых в качестве

сре­

ды с

и з м е н я ю щ и м и с я п а р а м е т р а м и

используются

фер­

риты.

П р и практической реализации

данного способа

настройки

могут встретиться следующие

в а р и а н т ы :

1. Ферритовые стержни симметрично вводятся непо­

средственно в резонаторы анодного блока,

к а к это по­

казано на

рис. III.15.

/ — а н о д н ы й б л о к : 2 — к а т о д

м а г н е т р о н а ;

3—ферритовые

с т е р ж н и ; 4—

с о л е н о и д .

8—453

113

конструкций магнетронов, механизм перестройки

ча­

стоты

остается в них

один и

тот

ж е : быстрая

электри­

ческая

перестройка

частоты

достигается

изменением

магнитной проницаемости ферритового

элемента

(стерж ­

ня

или кольца) при изменении

потока

магнитной индук­

ции

вспомогательного

(управляющего)

электромагнита .

П р и этом наиболее

э ф ф е к т и в н а я

перестройка

частоты

имеет место в том случае, когда силовые линии

магнит­

ного поля концентрируются по оси стержней

[27] или по

радиусу кольца [26]. Необходимо

только исключить

вза­

9000

— ,

1

,

,

,

—

-

I

8950

Рис. III. 16. Изменение

8900

резонансной

частоты

магнетрона

3-см

диапа­

зона

в

области

ферро­

магнитного

резонанса

8850

пластин из пермалоя, по­

мещенных

в торцевые

полости

анодного

блока.

8800

И. М. Вигдорчик и А. И. К а р н а у х

экспериментально

установили, что крутизна перестройки

частоты полого

нанса примерно в три р а з а

больше, чем крутизна

пере­

стройки

частоты вдали от

ферромагнитного резонанса .

Это видно, например, на основании

экспериментальной

кривой

рис.

I I I . 16, снятой

И. М. Вигдорчиком при ис­

следовании

электрической

настройки

магнетрона

3-см

д и а п а з о н а

при

помощи ферромагнитных

м а т е р и а л о в

.(пермалоя

и

ф е р р и т а ) .

Н а опыте

м о ж н о н а б л ю д а т ь

более чем

одну область

ферромагнитного

резонанса. В

области ферромагнитно ­

ствие

чего н а г р у ж е н н а я добротность магнетрона

пони­

ж а е т с я .

В

последние годы достигнуты значительные

успехи

метрового и

метрового

д и а п а з о н о в

волн с

резонаторны -

ми системами

в

виде

отрезков

к о а к с и а л ь н ы х

линий,

в о з б у ж д а е м ы х

на

волне

типа

ТЕМ . Так,

например,

В. Ф. Н а г а е в

и А. Л . Булычев

р а з р а б о т а л и

л а б о р а т о р ­

ные о б р а з ц ы магнетронов с электрической

перестройкой

частоты с помощью феррита м а р к и

ВЧ-1 в д и а п а з о н е 5%

при уровнях

полезной

мощности

50—80 кВт в

импульсе

и к. п. д. 55—60%. З а м е т и м , что д и а п а з о н

механической

настройки в

таких магнетронах

при уровнях

мощности

200—300

кВт и к. п. д. 60—75%

достигает 20% и более.

О б л а д а я

высокой

стабильностью, м а л ы м и

г а б а р и т а м и и

р а б о т а я

при

сравнительно

низких

анодных

н а п р я ж е н и ­

ях (не выше 25 к В ) , эти магнетроны, несомненно,

найдут

применение в

практике .

В заключение отметим, что всем способам

электри ­

ческой настройки

магнетронов

с

использованием

сегне-

то-, п а р а э л е к т р и к о в

и

ферритов

присущ один общий не­

достаток:

п а р а м е т р ы

у к а з а н н ы х

м а т е р и а л о в

критичны

к изменениям

температуры .

Г л а в а

IV

1. Вводные

замечания

И з

схемы классификации

магнетронов

(рис. III . 1)

м о ж н о

заметить, что к данному подклассу

магнетрон­

ческим р е ж и м а м ,

по ширине д и а п а з о н а

электронной на­

стройки, по

к. п.

д. и генерируемой мощности.

О д н а к о

всем этим

типам

магнетронов присуще

общее

физиче-

8*

115

нением п а р а м е т р о в

электронного потока (плотности

и

скорости з а р я д а в

«спице» или сдвига ф а з ы м е ж д у

по­

стве

взаимодействия

или вводимого

туда извне. П р и

этом

у к а ж д о г о типа

магнетрона легко

о б н а р у ж и в а ю т с я

тронной

перестройки частоты в достаточно широком

д л я

практики

д и а п а з о н е .

Так,

например, д л я

магнетронов — электронных

пе­

реключателей частоты

х а р а к т е р н ы м признаком я в л я е т с я

нутой

з а м е д л я ю щ е й

системой — отсутствие

условий

за­

м ы к а н и я по окружности

д л я

электромагнитного

поля

бегущей

волны; д л я

регенеративно - усилительных

магне­

т р о н о в — наличие

связи

внешнего источника

С В Ч

коле­

баний

с

сильно

нагруженной

резонаторной

системой;

д л я м а л о м о щ н ы х

магнетронов,

перестраиваемых

напря ­

жением

в очень

больших д и а п а з о н а х

частот

(митро-

нов), — наличие

резонаторной

системы

со

с л а б о

выра ­

ж е н н ы м и резонансными

свойствами и т. д.

Х а р а к т е р н ы м и

п р и з н а к а м и

т а к ж е различаются

маг­

нетроны

с сеткой,

магнетроны

с торцевым

эмиттирую -

нетроны с согласованной

на

одном конце

з а м е д л я ю щ е й

системой и з а м к н у т ы м электронным потоком

( к а р м а -

троны)

и

др .

С д е л а е м сначала несколько общих замечаний

по

магнетронам с электронной настройкой, у которых

функ­

ции генератора

и

реактора

совмещены

в

одном

и

том

ж е

электронном

промежутке .

Так

как

у

электронных

генераторов

любого

класса

имеет место явление Э С Ч ,

то,

вообще

говоря,

во всех

существующих

магнетронах

(с

фиксированной

частотой

или

с перестройкой

частоты

механическим способом) м о ж н о осуществить

электрон­

ную перестройку

частоты. Д л я

этого

необходимо,

чтобы

частота колебаний магнетрона в достаточно

широких

пределах

изменялась

при изменении

либо

анодного

то­

ка,

либо

анодного

н а п р я ж е н и я ,

либо

н а п р я ж е н и я

на

сетке

(у

магнетронов

с

сеткой)

и однозначно

зависела

от

одного

из

у к а з а н н ы х

п а р а м е т р о в

р е ж и м а ,

т.

е.

вос­

производилась

с

достаточно

высокой точностью;

другие

п а р а м е т р ы колебательного

р е ж и м а

(выходная

мощ­

ность,

к.

п. д.,

флюктуации

фронта

импульса

огибаю -

щей

ВЧ

колебаний и др.)

в

д и а п а з о н е

электронной

настройки

находились

в

з а д а н н ы х

д л я

к а ж д о г о

из

них

пределах.

В

зависимости

от

р е ж и м а

(по

постоянным

полям) в толще электронной «втулки»,

т. е.

в

слое

про­

странственного

з а р я д а , о к р у ж а ю щ е г о

катод,

могут

воз­

будиться

и п о д д е р ж и в а т ь с я

чисто

электронные

колеба­

тельные

состояния

[ 1 , 37,

63,

64]. Т а к как

мощность

этих

колебаний мала, а сами колебательные

состояния

(пред-

осцилляционные колебательные р е ж и м ы )

неустойчивы,

то они в процессе

установления колебаний л;-вида легко

р а з р у ш а ю т с я

и

на

стационарное

колебательное

состоя­

ние практически не влияют .

Действие прикатодной электронной втулки на

часто­

ту генерируемых колебаний fT

м о ж н о

учесть,

если

при­

нять,

что

з а р я д , заключенный

во

втулке,

изменяет

емкость

анод — катод

на

величину

Д С К

[29—31]:

дуг„=72 дск /с5 ,

(iv.i)

где Ajr — смещение

частоты,

вызванное

действием

за­

ряда

втулки;

f0

— резонансная

частота

колебательной

системы

в

отсутствие

пространственого

з а р я д а ;

Cz —

полная

емкость

м е ж д у сегментами

(с

учетом

влияния

краевых

полей,

катода

и

с в я з о к ) .

Н а

рис. IV.1 представлены

эквивалентная

схема

маг­

нетрона

(а)

и

д и а г р а м м а контурных

(отмеченных

ин­

дексом

«к»)

и

наведенных

(отмеченных

индексом

«н»)

токов

д л я

у п р е ж д а ю щ е й

ф а з ы

( 9 П Н > 0 )

[5,

7].

П о л ь з у я с ь

векторной

д и а г р а м м о й ,

м о ж н о

получить

известную

фор­

мулу

д л я

Э С Ч * магнетрона,

вызванного

ф а з о в ы м

рас­

или

A f = ( W 2 Q H ) t g 0 3 H

(IV.2)

fr

= f o i ( l + t g f W 2 Q H

) ,

(IV .2')

где

fr

— частота

генерируемых

колебаний;

foi — частота

«горячего»

анодного

блока

магнетрона

с

поправкой

AfP ,

обусловленной наличием

втулки

пространственного

з а р я д а ; 9™— с

точностью

до

я сдвиг

ф а з ы

м е ж д у

а м п л и т у д а м и первой

гармоники

наведенного

тока

/щ

и

В Ч н а п р я ж е н и я

на

резонаторах Uc.

Действительно,

из

ки

*

Качественная

теория ЭСЧ

магнетрона

развита

С.

Я.

Инхо-

[5]

и С

И. Бычковым

[7].

д и а г р а м м ы токов

(рис. IV. 1)

можн о

получить р я д

в а ж ­

ных соотношений.

Н а п р и м е р ,

д л я

б а л а н с а токов

/н!а + /ка—0, /н1р +

/ к р =

0

(IV.3)

или

денного

и контурного

токов,

а индексом «р» — реактив­

ен

Л ir

I

гт:ч:?ц

1

л — у * *

л

Рис.

IV.1.

Эквивалент­

ная

схема

магнетрона

(а)

и

векторная диа­

грамма

контурных токов

и

токов,

наведенных

движущимися спица­

ми

(б).

ные; д л я б а л а н с а

активных

и реактивных

компонент

проводимостей

Ge

+ GK = 0,

Be

+ BK

= 0,

(IV.4)

причем

/У,н 1 - -

Ge

+ / 5 e = b i l

(cos

? Э а

+

/ sin

? э н ),

y K = - A = G K

+ / 5 K = ^ L ( c o s e 3 H

+ / s l n 6 3 H ) ,

_ • - = = _ « - = t g ? 8 a = t g 6 8

£ K = c » r C 3

1 —

"01

2ДшС.

io0 1

Г

Компоненты контурных токов

и Ё Ч

н а п р я ж е н и е

на

ре­

зонаторах

через

п а р а м е т р ы

магнетрона

определяются

из ранее приведенных соотношений [1], а

компоненты

наведенного

тока

/ H

i через

эквивалентные

п а р а м е т р ы

магнетрона

и п а р а м е т р ы

р е ж и м а — из соотношений,

по­

лученных

С. И. Бычковы м [7].

Очевидно,

что

л

»

(

i

v

.

5

)

З д е с ь

1х1

*

У**1тВ

( Г а

- t\

) YcIJNQa

COS2

f э а

(IV.6)

И

sinp/V/2

.

_ 0 . 8

т

ш

7

V

~~-

я

$N/2

Уа'

U

V

J

где F c — волновая

проводимость

системы;

г, — радиус

радиусу

/•<. [7]; 2р — ширина

щели

в

угловом

измерении.

Обычно

ток

/ ,

составляет

10 — 20°/ 0

от

тока

7^.

Поэ­

тому

/ Я 1

=

Ixi

и

формула

(IV.2)

м о ж е т

быть

записана

в

форме

/ r ^ f . l ( l + t g e O T / 2 Q B ) .

( I V . 2 " )

Н а п р я ж е н и е на

резонаторах Uc

согласно

[7] может

быть

определено

из

соотношения

ис

=

У

2^TB(rl~ri)QJafNYc.

(IV.8)

Трудности расчета д и а п а з о н а электронной настройки

обычных магнетронов сводятся к трудностям

расчета

угла

Оэн и

емкости

АСК, с л о ж н ы м

образом

з а в и с я щ и х

от

параметро в

и р е ж и м а

работы

магнетрона .

О д н а к о

из [7] известно, что по мере

повышения анодного

напря ­

жения U& и увеличения постоянного анодного

тока

/ а

угол 8эн м о ж е т изменяться в больших пределах,

оста­

ваясь отрицательным . З н а я

п р и б л и ж е н н ы е

границы из­

менения

угла

8эн, можн о

рассчитать

о ж и д а е м ы й

диапа ­

зон

электронной

настройки

магнетрона

или,

наоборот,

з а д а в а я

диапазо н

электронной

настройки,

можно

ука­

зать пределы изменения угла 0Э Н .

Рассмотрим числовые примеры.

в

пределах

от

—45°

до

0

Пример 1. Пусть

вэн изменяется

(—45°^9ан^0). Тогда

для магнетрона

с

частотой

системы

/<н

=

— 3 000 МГц и добротностью QH =

100 диапазон электронной

наст­

ройки |Д/| составит 15 МГц (0,5%).

Пример

2. Пусть опять — 4 5 ° ^ 9 а н ^ 0 ,

/oi = 3 000 МГц, но

QH =

= 10. Тогда диапазон электронной

настройки |Д/| составит 150 МГц

(5%).

В обоих

примерах действием

заряда

электронной втулки на

ройки могут

быть получены в магнетронах с низкой нагруженной

добротностью

Qn.

Именно

в этом направлении были сконцентрированы усилия

Т а к им

образом,

при специальном р е ж и м е

(в

р е ж и м е

ограничения тока

эмиссии температурой)

электронная

настройка

обычного магнетрона в достаточно

широких

ство ж е

реальных

магнетронов,

особенно

мощных,

ра­

ботают

при таком

р е ж и м е , когда

анодный

ток / а (и

ток

тим, что оба

у к а з а н

н ы х

р е ж и м а

физически

резко раз ­

личаются . В

р е ж и м е

ограничения

анодного

тока прост­

ранственным

з а р я д о м

напряженность электрического

изменениях анодного н а п р я ж е н и я ,

и частота

генерируе­

мых колебаний с изменением анодного тока

изменяется

в небольших пределах (в пределах

кривой Э С Ч ) . В ре­

ж и м е ограничения анодного тока

температурой

напря ­

женность электрического поля

на

катоде

отлична от

нуля; анодный ток и мощность

магнетрона вдоль

вольт-