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

О б р а щ а ю т на себя внимание низкие

значения

к. fi. д.

Объясняется это тем, что в данной конструкции

магне­

т р о н а — электронного переключателя

рабочими

видами

лебаний с нечетными номерами

были

сильно нагружены

и поэтому не

в о з б у ж д а л и с ь .

В

другом

л а б о р а т о р н о м

образце

магнетрона,

отли­

чавшемся от рассмотренного

л и ш ь конструкцией выход­

ного

устройства и

испытывавшемся

при

тех ж е

режи ­

мах

(5 = 3000

Гс,

с 7 а 4 0 = 25

кВ, Ua2S

= 27

кВ,

t / a 3 6 =

= 29

к В ) , уровень

отдаваемой

мощности

Рпп

дл я

трех

видов колебаний

удалось

повысить до

150

кВт при

X

10

\

X

X

г О

5,0

го

X

Л

J

о

30

X

5,0

7,0

1,0

Х,см

Рис. IV. 18.

Дисперсионные

характеристики для 80-резонаторной си­

стемы типа «встречные бугели»:

— О — О — О — з а в и с и м о с т ь

к о э ф ф и ц и е н т а

з а м е д л е н и я т от д л и н ы в о л н ы ;

— X — X — X — з а в и с и м о с т ь н о м е р а в и д а к о л е б а н и й п о т д л и н ы в о л н ы .

Д а л ь н е й ш е е

исследование

л а б о р а т о р н ы х

макетов

магнетронов — электронных переключателей,

р а з л и ч а в ­

шихся

числом

бугелей,

конструкцией

выходных

устройств, геометрией

пространства

взаимодействия, ре­

ж и м а м и

работы

и

диапазоном

волн,

показали,

что зна-

Чений

к.

п. Д. д л я

Магнетронов — электронных

переклю ­

чателей

могут достигать 20%.

З а м е т и м ,

что

в

процессе

исследований

никогда не

у д а в а л о с ь

н а б л ю д а т ь

бигармонический

р е ж и м

(одно­

временное

существование

двух колебаний

с

частотами

toi

и

сог)

в

магнетроне — электронном

переключателе:

всегда

один

вид

колебаний

в

зоне своего

существования

по

анодному

н а п р я ж е н и ю

п о д а в л я л колебания

осталь­

ных

видов;

в худшем

случае

н а б л ю д а л и с ь

п а р а з и т н ы е

ясняется

это

тем,

что

в

магнетроне — электронном

пе­

реключателе колебательные р е ж и м ы

д л я различных

ви­

дов колебаний

слабо

связаны

м е ж д у

собой.

А.

Г. М а й е р

в

1935

г. п о к а з а л

[58],

что бигармони­

ческий

р е ж и м

может

установиться

л и ш ь

в

системе

двух

сильно

связанных

автогенераторов . П о з ж е

бигармониче­

ский р е ж и м исследовал

В. В. Анисимов

[59].

З а м е т и м ,

что

в

зависимости

от

п а р а м е т р о в связи

бугельной

системы

с нагрузкой

и от п а р а м е т р о в

р е ж и м а

магнетрон — электронный

переключатель

может

возбуж ­

даться

и

стабильно

работать

на

видах

колебаний

как

с четными, так и с нечетными

номерами .

В заключение

еще

р а з

подчеркнем,

что

эффективно

р а б о т а ю щ и й

магнетрон — электронный

переключатель

частоты — может

быть

сконструирован

л и ш ь

на

базе

димым, но еще не достаточным . Необходимо,

кроме

того, чтобы связь м е ж д у резонаторами была

с л а б а я ,

частоте

и по

н а п р я ж е н и ю

в о з б у ж д е н и я

было

не слиш­

ком

большим

и т а к ж е

одинаковым .

9.

Электронная

настройка

магнетронов

с

плавно

изменяющимися параметрами

резонаторов

П р и

описании

магнетронов — электронных

переклю ­

чателей

частоты

были

с ф о р м у л и р о в а н ы

условия

д л я

скачкообразного

перехода

от одного колебательного ре­

ж и м а к

другому. П р и этом

о б р а щ а л о с ь

внимание на

то,

что

вредное

явление конкуренции

видов

колебаний,

рывную перестройку частоты

напряжением

в

достаточно

широкой

полосе. В магнетроне использована резонаторная система

секторно­

го типа с числом резонаторов N=24, отличающихся по радиальной

длине, причем резонаторы

с

наибольшей

и

наименьшей

длинами

( / н а и б = 4 мм, / И а и м = 3 мм)

были расположены

в анодном

блоке на

изменяющиеся

размеры (по длине), причем

одинаковые

резонаторы

каждой пары

располагались симметрично

относительно

указанной

оси системы.

практически не изменяющейся при изменении

анодного

напряжения, К С В Н и ф а з ы

рассогласованной

нагрузки .

П о данным «холодных»

измерений установлено,

что

в системах

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

резо­

наторов

электромагнитное

поле непрерывно

изменяет

свою конфигурацию с частотой. Дискретность видов

ко­

лебаний как

бы исчезает. Вместе с тем, по форме

ос­

ц и л л о г р а м м ы

поля,

соответствующей данной

частоте,

можно

судить

как

о степени расстройки резонаторов,

так и

об относительной величине изменения

фазовой

осциллограммы к а к

бы сгущаются, в других — р а з р е ж а ­

ются.

Опыт

и

общие

физические

с о о б р а ж е н и я

позволяют

установить,

что колебательный

режим в

магнетронах

с такими

системами

обусловлен

совокупным

действием

следующих

факторов:

числом резонаторов,

степенью их

ложением эмиссионного покрытия на поверхности

като­

да относительно рабочей

поверхности анодного

блока;

п а р а м е т р а м и пространства

взаимодействия и степенью

наторов системы

и степенью

распределенности параме ­

тров элемента связи.

Перечисленные

факторы

в

магнетронах

различной

конструкции проявляются по-разному. Так, в

магнетро­

не с малым числом слабо

связанных и сильно нагру­

женных резонаторов э ф ф е к т и в н а я

электронная пере­

стройка частоты возможна .

В

таком

ж е магнетроне, но

эмиссионным

покрытием

катода . И н а ч е

говоря,

в магне­

троне с высокой добротностью и большим

числом

зам ­

кнутых в кольцо резонаторов, р а з л и ч а ю щ и х с я

по

своим

п а р а м е т р а м ,

при замкнутом вокруг катода

электронном

потоке в о з м о ж н ы колебания л и ш ь на дискретных

часто­

тах и незначительная электронная перестройка

частоты

в области существования

(по частоте и

н а п р я ж е н и ю

в о з б у ж д е н и я )

видов колебаний . Уж е первые испытания

магнетрона с очень слабой расстройкой

резонаторов ще­

левого типа

( J V = 8 0 ) при использовании

выходного уст­

ройства с распределенной связью показали

возможность

плавной перестройки частоты.

Н а и б о л е е

о б н а д е ж и в а ю щ и е результаты

получены при

щимися

п а р а м е т р а м и

резонаторов .

Пр и этом

монотон­

ный х а р а к т е р

кривой

настройки

достигается

в

том

случае,

когда

из анодного блока удаляется половина сег­

ментов,

разделенных

с

оставшимися сегментами

пло­

лебательный р е ж и м — когда

перестройка частоты про­

исходит в области существования «растянутого»

л - вида

колебаний. Д л я расширения

указанной области

выгодно

ставлены

в табл . IV.4.

Т а б л и ц а

IV. 4

Результаты динамических испытаний магнетрона 3-см

диапазона с разомкнутой резонаторной системой щелевого

типа со связками при очень слабой

расстройке

резонаторов

(N=40)

В, Гс

и

а

, к З

'a CP' м А

~К , см

г

. М Г ц

i f , М Г ц

г

/

12,0

32

3,582

8375

3900

12,5

52

3,615

133

1.60

12,8

76

3,640

8242

12,8

27

3,576

8389

4150

13,0

36

3,578

102

1,23

13,5

50

3,579

14,0

70

3,620

8287

14,0

44

3,57

8403

4300

14,5

64

3,58

116

1,40

14,8

82

3,62

8287

П р и р е ж и м а х ,

у к а з а н н ы х в

т а б л .

1V.4,

мощность

в импульсе РЦ л е ж а л а

в пределах

от 20 до 60 кВт. Так,

например,

дл я

среднего

р е ж и м а

(Б = 4 150

Гс,

UA =

= 13,5 кВ, / а с р

= 50 мА) Р н « 4 0 кВт, к. п. д. г, ^ 6 % .

В

табл . IV.5 приведены

результаты

испытаний

маг­

нетронов

с замкнутой в коль­

цо

резонаторной

системой,

в которой

н а и б о л ь ш а я

раз ­

ница

р а д и а л ь н ы х

длин

резо­

наторов,

расположенных

на

оси симметрии системы, со­

ставляет

0,2 мм, что

соот­

Рис.

IV.19.

Конструкция

маг­

ветствует

расстройке

по ча­

нетрона

с плавно

изменяющи­

стоте

дл я

этих

резонаторов

мися

параметрами

резонато-

на

75

Мгц.

Конструкция

. ров:

такого

магнетрона

схема­

/ — а н о д н ы й

б л о к

с о д и н а р н ы м и

с в я з к а м и ;

2 — в ы х о д н о е

у с т р о й с т в о

тически

показана

на

рис.

к о а к с и а л ь н о - в о л н о в о д н о г о

т и п а .

IV.19.

И з

табл . IV.5 видно, что максимальное

изменение ча­

стоты

А/г макс = 42

МГц ; относительная

величина

пере­

стройки

частоты

Д/г //г = 0,43%;

крутизна

электронной

настройки

5 / = 1 4

кГц/В .

Т а б л и ц а

IV.5

Результаты

динамических испытаний

магнетрона

с замкнутой в кольцо резонаторной

системой

щелевого

типа

Ш = 3 0 )

с двусторонними

одинарными

связками без

разрывов

(В=4125

Гс, Q=1000)

Анодное напряжение 11л , кВ

16

17

18

19

Средний

анодный ток

/ а ср>

12,0

13,0

14,0

14,5

мА

Мощность

в

импульсе

65

80

80

80

кВт

К. п. д. т), о/0

34

36

32

29

Длина волны

колебаний к,

3,026

3,032

3,038

3,040

см

Д а н н ы е

табл .

IV.5 позволяют

у т в е р ж д а т ь ,

что

маг­

нетроны с относительно небольшим числом слабо

рас­

строенных

резонаторов

по своим

входным

и

выходным

п а р а м е т р а м

практически

не

отличаются

от

обычных

магнетронов с одинаковыми резонаторами

того ж е

типа.

По

стабильности

ж е

колебательного

р е ж и м а

они

пре­

восходят

обычные

магнетроны,

б л а г о д а р я

чему

найдут

применение в

практике .

нах с замкнутыми резонаторными системами .

Д а н н ы й

факт находится в полном согласии с общим

д л я всех

Опыты с

магнетронами — электронными переключа ­

телями т а к ж е

у б е ж д а ю т , что при использовании разом ­

ного р е ж и м а к другому происходит

«мягко»,

виды

ко­

лебаний

н а г р у ж а ю т с я приблизительно

равномерно, а чи­

сло их становится равным числу резонаторов JV (разом ­

кнутой

системы) .

Соответственно

нулей

и

полюсов

у

функций Zn x (co)

и Увх(со) д л я резонаторной

системы

с

разомкнутыми

концами становится

вдвое

больше,

чем

д л я замкнутой

системы той ж е конструкции

и

с тем

ж е

числом

резонаторов . П о этой причине

магнетроны —

электронные переключатели с разомкнутыми

резонатор­

ными

системами о к а з а л и с ь менее эффективными,

чем

магнетроны — электронные переключатели с

замкнутыми

Объясняется

это тем, что виды колебаний

резонатор­

ной системы

с

разомкнутыми и несвязанными

по элек­

тромагнитному

полю концами могут быть нагружены

сколь угодно

сильно (до Q B H ~ 1 ) . Когда концы

системы

о к а з ы в а ю т с я

согласованными с внутренними

поглотите­

л я м и или (при

помощи выходных устройств) с внешни­

ми нагрузками,

резонансные свойства системы

утрачи­

ваются, виды колебаний становятся условными

и коле­

бательная

система

п р е в р а щ а е т с я

в полосовой

фильтр .

В о з б у ж д е н и е и генерирование

колебаний при

таких

условиях

в о з м о ж н ы

л и ш ь на обратной волне: ф а з о в а я

скорость волны Уф имеет то

ж е направление, что

и ско­

рость

электронных

сгустков

(«спиц»)

ve,

а

групповая

скорость распространения волны игр

имеет

обратное па-

правление, с о в п а д а ю щ е е с направлением

распростране ­

ния

энергии

в

системе. Н а

этом принципе

было

р а з р а ­

ботано

большое

количество

промышленных

образцов

генераторов

магнетронного

типа, именуемых карсинотро -

нами

( Л О В М )

и к а р м а т р о н а м и . В

данном

случае

усло­

вия

обратной

связи, необходимые д л я

всякого

самовоз­

б у ж д а ю щ е г о с я

генератора,

выполняются

автоматически

(внутренняя

о б р а т н а я связь

по электронному

потоку) .

водятся . В а ж н о

лишь отметить

физическое

родство

та­

ких генераторов

с

магнетронами

и у к а з а т ь

па

возмож ­

ность

расширения

диапазона

электронной

настройки

магнетронов р а з м ы к а н и е м системы. Именно

на

послед­

нее обстоятельство

обратил

внимание В. П.

Тычинский

в 1950

г. [60].

Главным условием эффективной работы магнетронов

цилиндрической

конструкции

с

разомкнутыми

з а м е д л я ­

ющими

системами

в р е ж и м е

электронной настройки

яв­

редь,

определяются

многими

ф а к т о р а м и ,

в

том

числе:

числом элементов

з а м е д л я ю щ е й системы;

конструктив ­

ными

п а р а м е т р а м и

системы

и пространства

взаимодей ­

ствия;

п а р а м е т р а м и

режима;

характером

эмиссионного

покрытия катода

и

режимом его работы; характеристи ­

ками

согласования

системы;

степенью р а з в я з к и

концов

личиной

сопротивления

связи

Z C B

и

многими

другими

ф а к т о р а м и .

П р и

этом

величина

Z 0 B

определяется к а к

умноженное

на 1/pV

отношение

усредненного

значения

к в а д р а т а напряженности поля в

месте

п р о х о ж д е н и я

электронного

потока

к

полной

высокочастотной

мощно­

сти, передаваемой

по

системе

( р е — п о с т о я н н а я

распро­

странения

взаимодействующей

гармоники) .

А. Л.

Рогожников,

воспользовавшись

конструктивной

идеей

В. П. Тычинского [60], осуществил

перестройку частоты

в

магнет­

роне 10-см диапазона

с разомкнутой

резопаторной

системой

измене-

1 — р е з о н а г о р н а я с и с т е м а ; 2—катод;

3 — у п р а в л я ю щ и й э л е к т р о д ;

4—выход-

нос у с т р о й с т в о ; 5 — п о л и г о н а л ь н ы е с в я з к и .

П р и не очень большом числе

р е з о н а т о р о в N

в прибо­

рах магнетронного

типа с разомкнутыми з а м е д л я ю щ и м и

системами условия

з а м ы к а н и я

электронного

потока

но рассматривать как магнетроны с разомкнутыми

за ­

медляющими системами . П р и

этом предполагается,

что

в полосе частот, ограниченной

полосой пропускания

к а ж ­

стемы

с

входным

и

выходным

к а н а л а м и

и и д е а л ь н а я

р а з в я з к а

концов

системы

по

электромагнитному

полю

бегущей

волны, т. е. в системе отсутствует стоячая волна.

Н а р у ш е н и е этих условий может привести к

установ­

лению

в

амплитроне

или

ультроне

автоколебательного

р е ж и м а

(при

отсутствии

входного

сигнала)

и к

неустой­

чивости

усилительного

режима

(при

наличии

входного

с и г н а л а ) .

Р е ж и м

автоколебаний

в

усилителях

обычно

относят

к

категории

нежелательных

(паразитных)

коле­

бательных

режимов .

В связи с проблемой электронной настройки

магне­

тронов

научный

и

практический

интерес

представляет

следующий вопрос: существуют

ли

условия,

при

которых

в амплитроне

или

ультроне при

отсутствии

внешнего

сигнала

или

при

наличии

синхронизирующего

сигнала

вопрос.

Такими условиями являются: 1) наличие

замкнутого

на себя электронного потока; 2) наличие стоячей

(кроме

бегущей) волны в системе; 3)

наличие р е ж и м а

ограни ­

чения тока эмиссии с катода

температурой,

т. е. р е ж и ­

ма, при

котором прикатодная

втулка пространственного

з а р я д а

отсутствует или слабо

в ы р а ж е н а ,