Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

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

.pdf

Скачиваний:

100

Добавлен:

22.10.2023

Размер:

12.52 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 / 3314 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 > Следующая >>>

Задача ограничения тока эмиссии с ложного катода решалась выбором материала с коэффициентом вторичной эмиссии, меньшим или близким к единице. В данном случае были обследованы магне троны с ложными катодами, изготовленными из титана, графита и из пленки окиси хрома, нанесенной на молибденовый керн. Наиболее стабильные результаты получены с катодами из графита. Катод магнетроиной пушки обычный — оксидный. В качестве резонаторной системы н конструкции магнетрона была использована резопаторная

11,8 12,0 12,2 Uа., к£

Рис. IV.9. Динамические характеристики магнетрона, настраиваемо го напряжением, при нормальной величине коэффициента вторичной эмиссии с ложного катода.

В = 2 5 00 Гс; ^ у п р =8 * в ; ' „ „ „ = 2 0 мкс ; я-100.

система секторного типа с двойными двусторонними связками и числом резонаторов N=12. Собственная добротность такой системы Qo = 700-^800, волновое сопротивление р с = 11,04-11,5 Ом, внешняя

добротность Овн в диапазоне перестройки частоты изменялась в пре делах 10—15, разделение по частоте т а между я-видом (п = 6) и

ближайшим видом ( я = 5 ) составляло 31 %.

В процессе разработки действующего образца магнетрона ис следовались различные виды связи резонаторной системы с нагруз кой: а) симметричная связь, осуществляемая присоединением пауко образной коронки к связкам; б) асимметричная связь емкостного характера, осуществляемая присоединением внешнего и внутреннего проводников коаксиальной линии соответственно к внешней и внут ренней связкам с одного торца анодного блока; в) асимметричная связь индуктивного характера, осуществляемая введением ленточной петли конической формы в один из резонаторов блока.

При этом	в каждом	случае	удавалось	получать низкие	значе
ния внешних	добротностей	( C B H =	10-f-I5).	Предпочтительней,	одна

ко, оказалась индуктивная связь, несмотря на то, что симметрия поля в этом случае несколько хуже, чем в двух других: при индук тивной связи легче осуществляется «управление» величиной внешней

9* 131

добротности даже б процессе динамических Испытаний магнетронов, что очень важно при исследованиях. Заметим, что при использова нии проволочной петли связи в данном случае удавалось снизить величину внешней добротности лишь до значения QBH = 80.

На рис. IV.9 и IV. 10 представлены диапазонные характеристики лабораторного образца магнетрона с вынесенной магнетронной пуш кой для двух режимов по коэффициенту вторичной эмиссии с лож-

Ри,кВт\

Рис. IV. 10. Динамические характеристики магнетрона,						настраиваемо
го напряжением, при повышенном			коэффициенте		вторичной эмиссии
	с ложного		катода.
	В = 2 5 00 Гс; ^ у п р = 8	к В :	' и м п = 2 0 м	к с ; " =	юо.
ного катода.	Напряжение Uynp	приложено		между		фокусирующим
электродом 2	и катодом / магнетронной пушки				(рис. IV.8); / К —
ток с катода	пушки.

Изменение коэффициента вторичной эмиссии с ложного катода достигалось изменением напряжения на подогревателе, предусмот


ренном в ложном		катоде.
Из сравнения		рис. IV.9 и		IV. 10	видно, что с	увеличением	коэф
фициента	вторичной		эмиссии	с ложного катода		анодный ток	/ а	и
полезная	мощность		Рв магнетрона		увеличиваются, а диапазон			его

стабильной работы как генератора с электронной настройкой сужа ется. Данный факт наилучшим образом вскрывает физическую при роду магнетронов, настраиваемых напряжением: диапазонные харак теристики магнетрона с вынесенным катодом при перестройке часто-

132

ты напряжением качественно iie отличаются от диапазонных характеристик обычного магнетрона, работающего в том же режиме

ограничения	тока	эмиссии температурой.
Есть все основания предполагать, что				в б л и ж а й ш е м
будущем	магнетроны		с вынесенной из	пространства
взаимодействия		пушкой	и центральным	л о ж н ы м като

дом, выполняющим роль отрицательного электрода, най дут применение. Усложненность конструкции и питания

таких магнетронов,

т а к ж е

более

повышенная

чувст

вительность

к внешней

нагрузке

(из-за

низких

величин

QBH) по сравнению

обычными

магнетронами

легко

преодолимы и о п р а в д а н ы целым рядом

п р е и м у щ е с т в ' и х

работы

в р е ж и м е

перестройки

частоты

н а п р я ж е н и е м .

Настройка «стержневых»

магнетронов (митронов)

напряжением

Н а и б о л е е

широкие

д и а п а з о н ы

электронной

настрой

ки

н а п р я ж е н и е м

(октава

и больше)

получены

при ис

пользовании

в магнетроне

з а м е д л я ю щ е й

системы

типа

«встречные штыри» с числом ячеек 12, 10, 8 и

6. Т а к а я

система

о б л а д а е т

слабо

в ы р а ж е н н ы м и

резонансными

свойствами. Магнетроны данного класса получили наи


менование		«митроны».
Пусть, например, добротность митрона 10-см диапа
зона	QH = 3.	В таком		случае,			предполагая,			что	настрой
ка н а п р я ж е н и е м			происходит				во	всей	полосе		резонанс
ной	кривой	контура		митрона,			по	формуле		(IV.9) полу
чаем	полосу настройки				в	пределах
		2Д/=/ 0 /С?н= 3000/3 = 1 ООО							М Г ц .
Д а ж е при		таких величинах полосы пропускания систе
мы	митрон	работает			на	одном		виде колебаний — на
я-виде. Амплитуда ВЧ					н а п р я ж е н и я на				щ е л я х з а м е д л я ю
щей	структуры		составляет			1 —1,5%			(и меньше) от по
стоянного анодного				н а п р я ж е н и я				митрона,		т. е. прибли

зительно на один порядок меньше н а п р я ж е н и я на щелях резонаторов анодных блоков магнетронов с низкой доб

ротностью, используемых в р е ж и м е перестройки	частоты
н а п р я ж е н и е м . К а к известно, при таких низких	величи

нах ВЧ полей электронный поток модулируется слабо и

само понятие «электронные спицы» д л я		митронов	теряет
с м ы с л . . В этом случае физически	более	правильно	поль
зоваться понятием «электронные	сгустки».

133

В митроне, к а к ни в одном из приборов

Магнетрон-

ного типа, ярко сочетаются резонансные свойства

элек

тронного

о б л а к а

пространственного

з а р я д а

со

свойства

ми

периодичности

з а м е д л я ю щ е й

структуры .

Известный

д у а л и з м

теории митрона объясняется именно этим соче

танием

волновых

свойств

электронного о б л а к а со

свой

ствами

периодичности з а м е д л я ю щ е й

структуры;

одни

склонны

считать митрон электронно - волновым

прибо

ром,

другие — резонансным

прибором,

т.

е.

магнетро

ном.

И «волновой» и «контурный» подходы к объяснению

физической

сущности

митрона

одинаково

правомочны,

так

к а к

оба

они

исходят

из

следующего

ф а к т а

(допу

щ е н и я ) :

митронах

энергия,

з а п а с а е м а я

электронных

сгустках

о б л а к а

пространственного

з а р я д а ,

одного

того

ж е

п о р я д к а

энергией,

з а п а с а е м о й

контурной

системе.

П р и

этом

качестве

контурной

системы,

т.

е.

системы,

о б л а д а ю щ е й

резонансными свойствами,

в ми

тронах

может

быть

использована

либо

з а м е д л я ю щ а я

структура,

либо

внешний

полый

резонатор,

либо

контур

(с

распределенными

п а р а м е т р а м и )

у з л а

катодной

нож

ки,

либо,

наконец,

с л о ж н ы й

контур,

образованный

из

у к а з а н н ы х

элементов

в л ю б о м

их

сочетании.

Н а

н а ш

взгляд, «контурный» подход к объяснению

физической

сущности

митрона

более

нагляден .

З а в и с и м о с т ь

частоты

колебаний

/ г

от

анодного

на

п р я ж е н и я

носит

практически

линейный

характер

определяется

так

н а з ы в а е м ы м

соотношением

Постумуса

или,

как

у ж е

отмечалось,

первым

членом

в ы р а ж е н и я

(IV . 10):

и^ш,В(г2а-г1)1Ы.

(IV.11)

И з ф о р м у л ы

(IV . 11),

частности,

следует, что

при

прочих равных условиях частоты митронов пропорцио

нальны числу	штырей в	их з а м е д л я ю щ и х		системах.
В отличие	от обычных	магнетронов,	д л я	стержневых
магнетронов	коэффициент	з а т я г и в а н и я	частоты F не

имеет однозначного определения. Так, например, д л я

одного из стержневых магнетронов величина						коэффици
ента	затягивания	частоты	составляет 125	М Г ц		при	Q n =
= 5	и / а = const, а	при cVa =const — всего		15	М Г ц .
Основными условиями устойчивой и стабильной							ра
боты	стержневых	магнетронов (митронов)			в	широком
д и а п а з о н е их настройки			я в л я ю т с я :

134

1. Н а л и ч и е широкополосной з а м е д л я ю щ е й системы. 2. Н а л и ч и е широкополосного выходного устройства, хорошо согласованного с оконечной нагрузкой во всем


диапазоне	перестройки			частоты.
3. Н а л и ч и е		условий		дл я		р е ж и м а температурного
ограничения тока			эмиссии с		катода .
4. Постоянство мощности, подводимой от источников
питания к	катоду.
5. Отсутствие			пульсаций		анодного н а п р я ж е н и я .
П р и нарушении любого					из	перечисленных условий
возникает	ря д	нежелательных				явлений: появление то

чек нестабильной работы и разрывов на частотной ха

рактеристике,	повышение	уровня шумов,	появление
срывов колебаний, «перескоков» на паразитные				виды
колебаний, «провалов» мощности и т. п.
Н е с м о т р я	на отмеченные	недостатки, митроны		на
шли широкое	применение в	свипгенераторах,	панорам

ных приемниках, телеметрических системах и т. д. Про стота и надежность конструкции, м а л ы е габариты и вес пакетированных моделей митронов еще больше упрочи


ли	их место среди генераторов магнетронного								типа
с	электронной настройкой. З а м е т и м , что митроны								с ин
ж е к т и р о в а н н ы м			электронным			лучом позволяют сочетать
в	одном	приборе		широкую		электронную		перестройку
частоты с глубокой				амплитудной			модуляцией .
5.	Электронная		настройка малосегментных					магнетронов
	В литературе		[5, 6] такие			магнетроны		известны		как
магнетроны с р а з р е з а н н ы м и на сегменты								(W=2 ; 4;		6)
анодами и внешними колебательными контурами									с со
средоточенными			или		распределенными			п а р а м е т р а м и .
Б л а г о д а р я		соединению			сегментов		анодного	блока	через

один магнетрон работает при колебаниях вида я . Пр и этом частота колебаний определяется преимуществен но п а р а м е т р а м и колебательного контура. Ч а с т о т н а я мо

дуляция,	о с у щ е с т в л я е м а я	изменением анодного напря
ж е н и я , в	обычных р е ж и м а х не превышает		0,5—1,0%!.
В работе [32] у к а з ы в а е т с я на возможность				осущест
вления особого р е ж и м а		многосегментных	(N=12)	маг

нетронов непрерывного генерирования с толстым като дом при ограниченном токе эмиссии и широкополосной внешней нагрузкой, о б л а д а ю щ е й достаточно большим эквивалентным сопротивлением.

135

Г. М. Герштейн и Г. Л. Вительс [38, 39] показали, что при использовании малосегментных (N=2; 4; 6) магнетронов с топким

катодом и внешней колебательной системой в виде коротких (нере зонансных) отрезков разомкнутой лехеровой линии может быть

Рис. IV.11. Принципиальное устройство малосегментного магнетрона:

/ — с е г м е н т ы ; 2 — к а т о д ; 3 — о т р е з о к д в у х п р о в о д н о й л и н и и ; 4— с в я з к и ; 5 — в ы с о к о ч а с т о т н ы е д р о с с е л и .


осуществлена широкополосная частотная модуляция		(в пределах
±5—10%) изменением анодного напряжения. Такие		магнетроны
работают в режиме я-вида	колебаний при больших магнитных		полях
(В/Вир = 1,7—2,3) и малых	величинах анодного тока / а , слабо		изме

няющегося с изменением анодного напряжения.

Ц-80
400			1а,
ъго			- ч
ъго			Ло
			Ло
то	1800	2200	иа,в
то	1800	2200

Рис.	IV. 12. Зависимость				часто
ты / г	и анодного			тока / а	мало
сегментного			магнетрона			от
анодного		напряжения tVa при
В = 1440		Гс,	при увеличении
(—X — X — )			и	уменьшении
(—О—О—)			анодного		напря
		жения.
(JV=4,	г а = 0,5		см,	г к - 0 , 0 1 5	см,	Ы
			= 5 см) .

	На	рис. IV.11 показано		принципиальное		устройство малосегмент
ного	магнетрона		(N=4) с	топким	катодом, а на			рис. IV.12 для
одной из моделей такого магнетрона представлена								зависимость ча
стоты колебаний			/ г и анодного тока		/ а от анодного			напряжения £/а .
На этом рисунке			приведена также теоретическая зависимость частоты
/г от напряжения t7a, рассчитанная					по формуле		(IV.11)		при гк «=0.
Для	этого случая формула			(IV.11)	может быть		записана в более
распространенной			форме:
				942-/-*[см]В [Гс]
			Х[см] =		ВДв—'				(1V.11')
где	n —	N/2.
	Из	рис. IV.12 видно,		что расчетная		кривая		почти	совпадает

с теоретической кривой и носит линейный характер. Рисунок свиде тельствует также об отсутствии гистерезисных явлений в процессе модуляции частоты.

136

А н а л из результатов экспериментальных

исследова

ний

малосегментных

магнетронов позволяет

установить

р я д

интересных

особенностей

их

работы .

1. В

зависимости

от

поведения

функции

входного

сопротивления

колебательной

системы,

определяемой

частотой, длиной отрезка линии и граничными

условия

ми на конце линии, от динамического

р е ж и м а

работы

магнетрона

и от

температурного

р е ж и м а

катода

м о ж н о

осуществить

любой

из ранее

описанных

колебательных

р е ж и м о в :

— р е ж и м

резонансных

перезонансных

колебаний,

при котором частота генерируемых колебаний

диапа

зон

электронной

настройки

определяются

основном

п а р а м е т р а м и колебательного

контура (резонансного

или

апериодического) магнетрона

и практически слабо за

висят от

п а р а м е т р о в

р е ж и м а

(<Va,

В);

— р е ж и м

нерезонансных колебаний,

при котором

ча

стота генерируемых колебаний и д и а п а з о н настройки

определяются

основном

п а р а м е т р а м и

р е ж и м а

(0&,

В)

пространства

взаимодействия (N,

г а ,

гк)

магнетрона

и рассчитываются по формуле порогового

н а п р я ж е н и я

(IV . 11);

оба

р е ж и м а

реализуются

при

колебаниях

вида л:;

— режим

электронных

колебаний,

при

котором

ча

стота генерируемых колебаний и д и а п а з о н

электронной

настройки

определяются

основном

п а р а м е т р а м и

элек

тронного

о б л а к а (ре , ve,

г), п а р а м е т р а м и

р е ж и м а

{Иа,

В),

геометрией

пространства взаимодействия

(гк ,

>гй) и

практически

не

зависят от

периода з а м е д л я ю щ е й

струк

туры и добротности колебательного контура; в «чистом


виде»		данный р е ж и м реализуется в магнетронном дио
де	со	сплошным анодом [1].
	Колебательный р е ж и м первого типа обычно называ
ют	колебаниями		типа «стоячей»	волны, второго — коле
баниями типа «бегущей» волны				и третьего — колебания
ми	циклотронного		типа.
	2.	П р и заданной геометрии пространства взаимодей

ствия наибольшие величины мощности и к. п. д. дости

гаются при колебательных		р е ж и м а х	типа стоячей	вол
ны; наименьшие величины		мощности — в р е ж и м е цикло
тронных	колебаний .
3. Во	всех трех р е ж и м а х диапазон		стабильной	элек

тронной настройки в значительной мере зависит от ста бильности динамического р е ж и м а работы магнетрона, и

137

fi особенности от стабильности температурного					р е ж и м а
катода .
	4.	В зависимости от степени температурного			ограни
чения		тока эмиссии с к а т о д а	в одном и том	ж е	магне
троне		м о ж е т быть осуществлен переход от одного режи
ма	к	другому.
	5.	П р и прочих равных условиях д и а п а з о н		электрон
ной	настройки н а п р я ж е н и е м		магнетронов с	внешним

апериодическим колебательным контуром м о ж е т быть

расширен

за

счет

температурного

ограничения

тока

эмиссии

катода .

В чистом виде стабильные колебания типа

бегущей

волны

н а б л ю д а ю т с я

при

подсоединении

сегментам

магнетрона

отрезков

разомкнутой

линии

длиной

/ =

= 4н - 8

см,

причем

к о л е б а т е л ь н а я мощность

при

укоро

чении отрезка разомкнутой линии в

пределах

у к а з а н н о й

величины увеличивается .

П р и

/ > 8

см

н а б л ю д а ю т с я

не

резонансные

колебания типа

стоячей

волны.

6. Электронная настройка магнетронов с сеткой

Магнетроны с сеткой

появились

почти

одновременно

с малосегментными магнетронами . С помощью сетки осуществляется управление электронным потоком в про

странстве взаимодействия магнетрона . В отличие		от
сетки трехэлектродной	л а м п ы , сетка в магнетроне	не
является неотъемлемым	элементом колебательной цепи.

В магнетроне с сеткой роли колебательных и управляю

щих электродов разделены . В	некотором смысле сетку
в магнетроне можно назвать	вторым (экранирующим)

катодом с развитой поверхностью, способным эмиттировать вторичные электроны, а механизм взаимодействия

электронов с ВЧ полем в магнетронах с сеткой									и	без
сетки	считать	одинаковым .
Н а ч и н а я с		30-х	годов и п о з ж е			предпринимались				не
однократные		попытки		применить		магнетроны		с	сеткой
к а к генераторы дециметрового и						метрового диапазонов
волн с амплитудной модуляцией .						З а это	время		разра
ботано	и исследовано			множество		оригинальных			конст
рукций	магнетронов		с	сеткой.	Опубликовано			большое
количество работ, посвященных					исследованию			магнетро
нов с дополнительными электродами [40].
Одной из		наиболее		ф у н д а м е н т а л ь н ы х			отечественных
работ,	посвященных		исследованию			колебательных			режи -

1 3 8


мов магнетронов с сеткой, является работа					С. Я.	Б р а у -
де	и А. М. Иванченко [41]. З а с л у ж и в а ю т внимания					так
ж е	работы В. К. Ткача		[42] и А. Я. Усикова [43]. В по
следних		двух работах,	как	и в работах	Н о к а м у р а		и
Хошина		[44] и М ю л л е р а	[45], исследовался		главным		об
разом р е ж и м амплитудной				модуляции .


Рис. IV. 13. Схематическое			устройство двухсегментного					магнетрона
метрового диапазона со спиралевидной				(а)	и ячеечной		(б)	конструк
			циями сеток.
Хорошие результаты получены при применении									прут
ковых и спиралевидных сеток, концентричных								с	като
дом и анодом. В. К. Ткач, например, показал,								что маг-
нетропы	дециметрового		д и а п а з о н а		в	р е ж и м е амплитуд
ной модуляции работают достаточно эффективно									в том
случае,	когда сетка	имеет спиралевидную					конструкцию
и располагается вблизи тонкого катода, причем								диаметр
сетки в 4—5 раз меньше д и а м е т р а					анода.
С. Я. Б р а у д е и А. М. Иванченко						всесторонне			иссле
довали	и описали все		колебательные			р е ж и м ы :		ампли
тудной	модуляции,	частотной		модуляции			(электронной

перестройки частоты), усиления (независимого возбуж дения) колебаний, биений, захвата (синхронизации) ча стоты, умножения частоты, стабилизации частоты, кото рые при соответствующих условиях могут установиться в магнетроне с сеткой.

Для исследования указанных режимов авторы разработали ряд лабораторных образцов двухсегментных магнетронов со следующими


конструктивными			параметрами:		диаметр анода rfa		= 10	мм,	длина
анода	Л = 30 мм, диаметр			сетки	(спиралевидной)		dg = 1,7-^2,5 мм,
шаг	сетки	D g =	l-f-l,5 мм, диаметр			катода dK=0,15-^0,25			мм.
С внешним		колебательным		контуром		такие магнетроны		эффективно

139

Рис.

IV. 14.

Зависимость

генери

руемой длины волны Лг от напря

жения на сетке Ug

для

двухсег-

ментного

магнетрона

дециметро

вого

диапазона

при

С/а

= ]300

В,

В = 750 Гс.

генерировали

колебания

на вол

нах

Яг = 70-^80

см при

полезной

мощности Я н =15 - н20

Вт и к. п. д.

т) =20-25%.

-l/g,B 60

Наибольший

практический ин

терес представляет режим

частот

ной модуляции; не лишены позна

вательного интереса также

режимы

усиления и

захвата

колебаний

заданной

полосе

частот.

На

рис. IV. 13

схематически показаны

двухсегментные магнетроны

со

спиралевидной (а)

и ячеечной

(б)

конструкциями

сеток, а

на

рис. IV.14 — кривая

настройки магнетрона

со спиралевидной

сеткой.

Из рисунка видно, что в определенном интервале изменения сеточ ного напряжения кривая настройки носит линейный характер. Этот участок кривой, как справедливо отмечают авторы, может быть

использован	для частотной модуляции магнетронного генератора
в диапазоне	около 1 %.

Впроцессе исследований авторы подметили ряд интересных

особенностей работы	сеточных	магнетронов:		колебания	возникают
при магнитных полях	порядка	В / В к р =	1,4-н1,5; сеточные		токи появ
ляются одновременно	с колебаниями;		после	возникновения колеба

ний сеточные токи могут достигать больших величин даже при не больших коэффициентах вторичной эмиссии материала сетки и больших отрицательных потенциалах сетки; величина запирающего


напряжения на сетке		Ug составляет		5—10% от	анодного	напряже
ния Ua, и практически		не зависит	от	величины	магнитного поля.
Э к р а н и р у ю щ е е		действие	сетки проявляется			двояко:
в ослаблении	интенсивности		В Ч поля вблизи основного
(центрального)	катода и в		ослаблении		интенсивности

его бомбардировки возвращающимис я электронами . К а к показа л Г. Л . Вительс, это свойство сетки может быть использовано для осуществления в малосегментных маг нетронах с сеткой ячеечной конструкции р е ж и м а ограни чения тока эмиссии (с центрального оксидного катода) температурой .

Опыт показывает, что введение густой сетки приво дит к ограничению нарастани я анодного тока при изме нении анодного напряжени я в магнетроне с централь ным не очень тонким оксидным катодом, а использова ние (для ограничения анодного тока) сетки, короткозамкнутой с катодом, позволяет сконструировать ком пактный магнетрон метрового диапазон а с электронной

140

<<< < Предыдущая 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 / 3314 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ