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

нетронов

с

фиксированной

волной, иногда

допускается

подстройка

генерируемой

частоты в пределах несколь­

ких мегагерц изменением анодного тока в пределах

10—•

15% от

его

номинального

значения . Это делается

в тех

случаях,

когда к магнетрону п р е д ъ я в л я ю т с я

особо

жест ­

кие эксплуатационные требования по стабильности

рабо ­

сти. С

другой

стороны,

существуют

эксплуатационные

р е ж и м ы (например,

режим частотной

модуляции

магне­

т р о н а ) ,

при

которых

генерируемая

частота

изменяется

по строго определенному закону в пределах

нескольких

мегагерц

в

соответствии

с законом

изменения

частоты

от

анодного

тока.

К р и в ы е

Э С Ч

и

о т р а ж а ю т

закон

изменения

частоты от

анодного

тока.

Н а

рис. IV.2 приведены расчетные

и эксперименталь ­

ные кривые Э С Ч д л я некоторых типов

импульсных

магнетронов

малой

и

средней

мощности.

И з

рисунка

видно, что в области рабочих

р е ж и м о в

расчетные

и

экс­

периментальные

кривые

Э С Ч

близко

совпадают

и у

экс­

периментальных

кривых

Э С Ч

с п а д а ю щ и й участок

отсут­

ствует.

Н а

рис.

IV.3

р а б о ч а я

точка

(РТ)

л е ж и т

на

с п а д а ю щ е м

участке

кривой Э С Ч ,

соответствующем

трех­

кратному изменению анодного тока. В

р а с с м а т р и в а е м о м

случае,

например, при изменении

анодного тока

/ а

в пре­

д е л а х

50—100 А

частота

генерируемых

колебаний

fT

из­

меняется

на

10 М Г ц ,

причем

величины

отдаваемой

мощности

Р н

на

к р а я х

указанного

д и а п а з о н а изменения

анодного

тока

различаются

приблизительно

вдвое.

Д л я

кривых

Э С Ч , приведенных на

рис.

IV.2 и IV.3,

как

и

д л я

кривых Э С Ч

л ю б ы х магнетронов,

характерно

одно

общее

свойство — резкий подъем

при м а л ы х

вели­

чинах

анодного

тока

и

появление

неострого

максимума

и пологого

спада

при д а л ь н е й ш е м

возрастании

анодного

тока. Физически такое поведение кривых

Э С Ч

легко

объяснимо: при

м а л ы х

велнчиных

анодного

тока

(плот-

ность

электронной

настройки

магнетрона характеризует ­

ся коэффициентом

электронного смещения

частоты

£ =

dfr/dla.

Н а

рис. IV.4 представлена о б о б щ е н н а я

зависимость

Рис. IV.3. Экспериментальная кривая ЭСЧ для мощного

импульсно­

го магнетрона.

мов, соответствующих восходящей ветви (подъему)

кри­

вой Э С Ч . И з рисунка видно,, что приемлемые

д л я

прак ­

могут быть получены

л и ш ь д л я

импульсных магнетро­

нов коротковолнового

д и а п а з о н а

волн. Электронная на­

столь сложной

задачей,

к а к

настройка

магнетронов

импульсного

действия. Б о л е е

того, существует

множест ­

во магнетронов

непрерывного

действия, д л я

которых ре­

ж и м

частотной

модуляции

является

основным

эксплуа ­

тационным р е ж и м о м . Объяс ­

няется это тем, что при про­

чих равных условиях вели­

чины

коэффициентов

Э С Ч е

Рис. IV.4. Типовые значения коэф­

фициентов

электронного

смеще­

ния частоты для импульсных маг-

5

75

100 125

Я см

нетронов

сантиметрового

диапа-

'

'

зона.

для

магнетронов непрерывного действия

приблизитель­

но

на

порядок

больше, чем д л я

магнетронов

импульс­

ного

действия.

Так, например, д л я магнетрона

С М 16В

коэффициент Э С Ч в рабочей точке равен

20 М Г ц / А

[7,

стр. 129], а на

восходящей

ветви

кривой

Э С Ч

в 13

р а з

больше. К а к

справедливо

у к а з ы в а е т с я

в работе

[4,

точно

больших значениях

коэффициентов

е и

линейно­

сти кривых Э С Ч могут быть использованы в

р е ж и м е

частотной

модуляции

д л я

передачи

сообщений

в

виде

звуковых и телевизионных сигналов .

В

связи

с проблемой

миниатюризации

С В Ч

прибо­

ров, в том числе и магнетронов,

наметившейся в по­

следние годы, открывается возможность получения

за­

данной полезной мощности при сравнительно

низких

анодных н а п р я ж е н и я х

и

больших

величинах

анодного

тока

(сотни ампер в

импульсе) .

В

этом

случае

элек­

оказаться более

эффективной,

чем настройка

напря ­

жением . Таким образом, быстрая электронная

настрой­

ка магнетронных генераторов анодным током

так ж е

перспективна, как

и настройка

н а п р я ж е н и е м .

3. Настройка магнетронов изменением

анодного

напряжения

Настройка обычных многорезонаторных

магнетронов.

нов н а п р я ж е н и е м

представляется д л я

практики чрезвы­

чайно заманчивой

и перспективной.

Д л я

магнетронов

с нагруженной добротностью QH =20—100

т а к а я воз­

можность может

быть р е а л и з о в а н а ,

если

каким - либо

трона

увеличивается, а д и а п а з о н

перестройки

частоты

р а с ш и р я е т с я . О ж и д а е м ы й

д и а п а з о н

перестройки

частоты

грубо

может быть оценен

по известной ф о р м у л е

A/=/o/2Q H .

(IV.9)

33,

34], электронная

настройка магнетронов

н а п р я ж е н и ­

ем

в достаточно

широком диапазоне

частот

имеет

место

л и ш ь

при нагруженной добротности

порядка

10—30.

Ф у н д а м е н т а л ь н ы е

исследования

С.

И.

Б ы ч к о в а

и

Г. Л . Соболева

позволили до

конца

вскрыть

механизм

электронной настройки

магнетронов

при

добротностях

20—100. З а м е т и м , что

р е ж и м

перестройки

частоты

на­

пряжением в магнетронах при больших уровнях

мощ­

ности

о б л а д а е т

следующими

особенностями:

частота

колебаний почти линейно растет с увеличением

постоян­

ного

анодного

н а п р я ж е н и я ;

устойчивая

работа

магне­

трона наблюдается в сравнительно небольшом

интерва­

ле

температур

катода;

величина

затягивания

частоты

д л я

низкодобротных

магнетронов,

перестраиваемых

на­

ограничения

тока эмиссии пространственным з а р я д о м .

Переход

от р е ж и м а ограничения тока пространствен­

ным з а р я д о м к температурному ограничению

происхо­

дит

в той области,

где п р е к р а щ а е т с я

резкое

возраста ­

ние

анодного

тока,

т. е. наступает насыщение .

Пр и этом

ф а з о в ы е

углы

бон

принимают положительные

значения

( 8 э н > 0 ) ,

а

компенсирующее действие

з а р я д а

втулки на

сравнению с действием на

частоту фазового рассогласо­

вания

«спицы» с полем. М а к с и м а л ь н о

возможный

угол

фазового

рассогласования

0 а н м а к с = + л / 2 . Пр и больших

углах

электроны в спице

попадают в

ускоряющее ВЧ

поле,

начинают двигаться

к катоду и колебательный ре­

ж и м магнетрона становится неустойчивым.

На

рис. IV.5 дл я магнетрона 10-см д и а п а з о н а

пред­

ставлена

экспериментальная зависимость частоты

гене­

пространственным

з а р я д о м к

р е ж и м у ограничения

тока

температурой .

Н а рис. IV.6

дл я другого

экспериментального

об­

ж е н и я н а к а л а UH.

П р е д с т а в л е н н ы е

на рисунке

кривые

свидетельствуют о

том, насколько

критичен к

темпера-

туре катода процесс электронной настройки

магнетрона

анодным н а п р я ж е н и е м : по мере повышения

н а п р я ж е н и я

н а к а л а температурное

ограничение

эмиссии

с к а т о д а

снимается и процесс

широкодиапазонной

перестройки

частоты н а п р я ж е н и е м п р е к р а щ а е т с я ,

уступая

место про­

цессу узкодиапазонной

перестройки

частоты

анодным

током в пределах кривой ЭСЧ .

/г, МГц

/ г , «Гц

5

5,5 1/а,кВ

5,5

6,0

1/а,кВ

зового

рассогласования

( Э э п ^ 0 ) ,

то дл я более точной,

чем по

ф о р м у л е ( I V . 9 ) ,

оценки

д и а п а з о н а перестройки

ставленным

на рис. IV.7 и рассчитанным

по

ф о р м у л е

( I V . 2 ' ) . И з

рисунка видно, например, что при

добротно­

сти Q H = 1 0

д и а п а з о н

линейной электронной

настройки

магнетрона

н а п р я ж е н и е м превышает 5%.

З а м е т и м ,

что при

оценке д и а п а з о н а настройки

маг­

нетрона н а п р я ж е н и е м

в формуле (IV . 2')

вместо

часто-

ты foi следует принимать частоту fo, т.

е. резонансную

частоту «холодного»

блока

(влиянием

з а р я д а

втулки

п р е н е б р е г а е м ) .

Основываясь на

работах

С. И. Б ы ч к о в а

[7, 46],

Г. Л . Соболев получил выражение, с в я з ы в а ю щ е е

часто­

ными и электрическими п а р а м е т р а м и

анодного

блока и

нагрузки,

а т а к ж е с

п а р а м е т р а м и

динамического

ре­

ж и м а :

U *

N - ( r

z ~ r

J + - ~ L r { ^ - )

А

x - j m ~ V

щ г — s i n 0 a « -

( I V - 1 0 )

Первый

член

в ы р а ж е н и я

(IV.10) о т р а ж а е т

линей­

ную зависимость частоты

от

н а п р я ж е н и я . К а к известно,

т а к а я зависимость

имеет

место

д л я магнетронов

со

сла­

бо в ы р а ж е н н ы м и

резонансными

п р и з н а к а м и

з а м е д л я ю ­

тронов)

с добротностью

Q „ = 3 4 - 5 . Второй

член

выра­

ж е н и я

(IV.10)

о т р а ж а е т

более

сложную,

чем

квадра ­

тичная,

зависимость

частоты от

анодного

н а п р я ж е н и я .

В самом деле, в режи ­

ме ограничения тока про-

странственным

з а р я д о м

sin Ээн и

анодный

ток / а

изменяются

в

обратном

порядке

(с

увеличением

тока

| si-n 0Э Н

|

уменьшает ­

с я ) ,

а анодное

н а п р я ж е ­

ние

Ua

почти

не

изменя ­

ется. Вследствие этого ча­

стота

генерируемых

коле­

баний

юг изменяется

в н е -

больших

пределах.

Рис. IV.7. Зависимость

частоты

колебаний

(/г )

от

сдвига

фаз

(Ээ н ) между наведенным током

(Ли) и напряжением на резо­

наторах

(Uc)

в

магнетроне,

настраиваемом

напряжением

при различных

значениях

вели­

чины

нагруженной

добротно­

сти

(QH ).

В

р е ж и м е ж е

ограничения тока

температурой анод­

ный

ток / а почти

не изменяется, а

анодное н а п р я ж е н и е

ального

сопротивления),

поэтому

и

частота

колебаний

юг

заметно изменяется .

Q H ,

П р и

больших

величинах

т. е. дл я

магнетронов

с ярко в ы р а ж е н н ы м и

резонансными

п р и з н а к а м и

замед ­

л я ю щ и х

структур, в

в ы р а ж е н и и

(IV.10) п р е о б л а д а ю ­

щим становится

второй

член.

Пр и

средних

величинах

Q H

В в ы р а ж е н и и

( I V . 10)

следует

принимать

во

внима­

ние

оба

члена.

Т а к и м

образом,

в ы р а ж е н и е

(IV.10)

годным

дл я расчета

магнетронов,

н а с т р а и в а е м ы х

на­

п р я ж е н и е м .

Т а б л и ц а

IV. 1

Конструктивные

и электрические параметры

экспериментального образца

магнетрона

/V

f„, МГц

В, Вб/м2

га ,

м

гк , м

гс ,

м

12

3040

0,195

0,55-10-2

0,35-10-2

0,388- Ю - 2

h, м

QH

р0 , Ом

1,

м

(sin pyV/2)/(p/V/2)

1 . 3 5 - 1 0 - 2

25

10

0 , 1 8 - Ю - 2

0,946

В табл . IV . 1 представлены конструктивные и элек­

трические

п а р а м е т р ы дл я одного из экспериментальных

образцов

магнетронов, исследованных Г. Л . Соболевым

в р е ж и м е

перестройки

частоты н а п р я ж е н и е м ,

а в

табл .

IV.2 приведены значения углов фазового

рассогласова ­

ния 0Э Н и

В Ч н а п р я ж е н и й на

резонаторах

Uc,

рассчи­

танных

по данным измерений

величин fr,

и / а .

анодного

н а п р я ж е н и я

в пределах

от 5,54 до 6,1 кВ по­

стоянный

анодный

ток / а ~ 0 , 3 А, а полезная

мощность

Рп~200

Вт. Д л я

этого ж е магнетрона при

изменении

анодного

н а п р я ж е н и я

в пределах

от 6,1 до 6,6 кВ и при

/ а ~ 0 , 3

и

0,5 А были

получены

соответственно уровни

мощности

Рн~0,7

и 1,7 кВт.

И з

табл . IV.2 видно, что с повышением

анодного на­

п р я ж е н и я

Ua углы рассогласования Э э н и

частота

гене­

рируемых

колебаний

/ г увеличиваются, а амплитуда

ВЧ

Т а б л и ц а IV.2

Величины 8Э Н и Uc,

рассчитанные по данным

измерений

величин ft, U&

и / а

/ г . М Г ц

U к В

е э н , г р а д

ия, кВ

с

3040

0

0

5,54

3070

0,850

26°20

0,440

5,69

3100

0,895

44°40

0,703

5,80

3150

1,025

61°10

0,876

5,97

3200

1,025

69° 10

0,934

6,06

3240

0,79

76°05

0,966

6,10

модействия. Поэтому дл я магнетронов

с низкой

доброт­

ностью

большое значение

приобретают

способ

отбора

ВЧ энергии

(тип выходного устройства)

и точность из­

готовления

анодных

блоков.

Р а в н о м е р н о е распределение нагрузки по резонаторам

системы становится одним из главных

требований к вы­

ходному

устройству.

Д л я

магнетронов,

н а с т р а и в а е м ы х

н а п р я ж е н и е м , за­

д а ч а подавления нерабочих видов колебаний

оказывает ­

ся особенно

трудной. Та к ка к анодное

н а п р я ж е н и е дл я

рабочего

вида колебаний

изменяется

в

очень

больших

пределах, то н а п р я ж е н и я

возбуждения

дл я

нерабочих

Т а к и м образом,

требования

к

системам,

используе­

мым

в магнетронах

с электронной

настройкой н а п р я ж е ­

нием,

м о ж н о с ф о р м у л и р о в а т ь следующим образом:

1.

Высокое

волновое сопротивление

р с .

2.

Н и з к а я

н а г р у ж е н н а я добротность

Qn.

3.

М и н и м а л ь н о е

и с к а ж е н и е

симметрии

В Ч полей

счет большого

разделения частот м е ж д у я - видом коле­

баний

(n = N/2)

и б л и ж а й ш и м

к нему видом,

а т а к ж е за

счет симметрии связи системы с нагрузкой.

4. Б о л ь ш о е

разделение по н а п р я ж е н и ю

возбуждения

м е ж д у

я - видом

и нерабочими

видами колебаний .

9 - 4 5 3

129

5.

Высокая

стабильность

источников питания катода, ра­

ботающего

в

р е ж и м е

темпера ­

турного ограничения .

Н а

практике

р е ж и м

тем­

пературного

ограничения

то­

ка с

катода

м о ж е т быть

осу­

ществлен

различными

путями:

подбором

температурного

ре­

ж и м а

дл я

термоэмиссионно­

го катода с малым коэффициентом

вторичной

эмиссии;

ограничением тока луча, вводимого

(инжектируемого)

ным неэмиттирующим («ложным»)

катодом . Именно по­

следний

способ ограничения

тока

нам

к а ж е т с я

наибо­

лее перспективным дл я

практики,

хотя

он

и сопряжен

с

некоторыми

конструктивными

усложнениями

магне­

трона.

Настройка магнетронов с инжектированным электрон­

ным лучом.

Магнетрон

с

боковым

катодом

предложен

И. М . Вигдорчиком в 1947

г . * [25, 35, 36]. В

последние

годы И. М. Вигдорчик,

Я. А. Старец, Б. 3.

Н е й м а н и

В. П. Еремин провели

ф у н д а м е н т а л ь н ы е

исследования

подобных

магнетронов

и

добились

результатов,

ранее

неизвестных

в

мировой

практике . Ими были

р а з р а б о т а ­

ны оригинальные конструкции импульсных

магнетронов

с

вынесенной

магнетронной

пушкой

(рис. I V . 8 ) ,

кото­

рые в р е ж и м е

отсутствия тока эмиссии

с л о ж н о г о

като­

скали

перестройку

частоты н а п р я ж е н и е м

в диапазоне

3—5% при полезной

мощности

в д и а п а з о н е перестройки

5—10

кВт и к. п. д. 15—25%. П о к а з а н а

возможность

работы таких магнетронов при больших

длительностях

импульсов модулирующего н а п р я ж е н и я

(при tBMn^

sc;40

мкс) и с к в а ж н о с т я х 200

и меньше.

*

Вигдорчик И. М. Магнетрон.

Авт. свид. №

324937, — «БИ»,