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

имущественного возбуждения и генерирования

колеба ­

ний в магнетроне на одном

из

трех я - видов, например

на Ця - виде . Этот критерий можн о выразить

с л е д у ю щ и м

неравенством:

<02С2

W,.3 Ci,3

"

{

Здесь

индекс

«2» относится

к

Ця - виду,

а

«1»

и «3» —

к К я -

и

Д я - в и д а м соответственно.

П о л а г а я

проводимо­

сти Gd

и Оы

в

узком

диапазоне

частот

независящими

от частоты, а частоты со(- приблизительно

одинаковыми,

условие

(V.1)

можн о

записать в следующем

виде:

или

C 2 < C W

.

( V . T )

5CT2<SCT1,3-

( V . 1")

В

общем

случае

критерий

д л я

преимущественного

возбуждения

магнетрона на

одном

виде

можно

вывести

из принципа «минимального рассеяния», сформулиро ­

ванного

Ван дер Полем . Согласно этому

принципу само­

в о з б у ж д а ю щ а я с я

система,

д о п у с к а ю щ а я

колебания

бо­

лее чем на одном виде, будет работать на том виде ко ­

лебаний,

для

которого

источниками

питания,

находя ­

щимися в системе, рассеиваются минимальные мощности.

Отсюда следует, что магнетрон, настраиваемый

полым

резонатором, д о л ж е н работать

на

том

виде

'колебаний,

для которого достигается наибольшее отношение запа ­

сенной энергии 'К общей энергии

потерь

за

период,

т. е.

на виде колебаний с наибольшей величиной

отношения

QH/SCT П З ] - И н а ч е говоря,

магнетрон

будет

устойчиво

работать на Ц я - в и д е лишь при условии выполнения не­

равенства

QH2/5CT2>QH1,3/5CT1,3.

(V.2)

Следовательно, д л я решения проблемы

асимметрич­

ной настройки магнетрона полым резонатором необхо­

димо

в

р е а л ь н о й конструкции

магнетрона

обеспечить

выполнение этого неравенства

для

Ц я - в и д а

колебаний

в возможно более широком диапазоне

частот.

Р а б о т а магнетрона

на

Ц я - в и д е

всегда

ж е л а т е л ь н а ,

т а к как

именно

на

этом

виде

колебаний

н а б л ю д а е т с я

н а и л у ч ш а я симметрия

В Ч

поля

в

пространстве

взаимо ­

действия и, следовательно, достигаются наибольши е ве­

личины

электронного

к. п. д. П р и

стабилизации

ж е

ча-

мятся сделать отношение Qn2./SCT2

к а к м о ж н о

меньшим,

т а к к а к уменьшение величины Qt ,2 влечет

за

собой уве­

личение

мощности и к. п. д. магнетрона,

а увеличение

величины

5 с т 2 п о в ы ш а е т его стабильность .

Таким

образом, проблемы настройки и

стабилизации

широком д и а п а з о н е частот, разработчик

д о л ж е н

«жерт­

вовать» стабильностью; стремясь ж е осуществить

высо­

кую стабильность,

он

д о л ж е н

«жертвовать» мощностью

и к. п. д. Ка к и многие

проблемы магнетронноп техники,

р а с с м а т р и в а е м ы е

п р о б л е м ы

могут быть

решены

л и ш ь

при успешной реализации на

практике

компромиссных

рестройки

частоты.

Согласно

гл. 1,

резонансная

частота

системы

(рис.

V.1)

нахо­

дится из условия

равенства

нулю суммы

проводимостей

магнетрона

(Вм),

диафрагмы связи

(Вя)

и

внешнего

резонатора

(Bp):

В м + В „ + В р = 0 .

(V.3)

Через величины

запасенной

энергии

коэффициент

стабилизации

5 С Т

выражается

следующим

образом:

Sc-r=(WM

+ WA + WP)IWM,

(V.4)

где

№ м , WA, WP

— энергии, запасенные в анодном

блоке

магнетрона,

диафрагме связи и полом

резонаторе

соответственно.

Энергию,

запасенную

в системе,

можно выразить

двояким

обра­

магнитного поля, либо электрического.

При резонансе обе

величины

равны между собой. На частотах, не

равных резонансной

частоте,

эти энергии не равны друг

другу, причем энергия, запасенная в си­

стеме,

равна

меньшей

из них.

В

общем

случае

[13, 67]

2(WE-WH)c*

В =

y y j p

'

(V.5)

dB

2 ( Г £ + Г „ )

(V.6)

Ло ~

|{/| 2

W--

dB

В

(V.'i

С учетом

(V.7)

выражение

(V.4)

запишем

в

следующем

виде:

[dBp

d B

„ \

_ .

1w

t

5д

do>

)

(

J

(V.8)

йВш

1 B™

ы

Таким образом, зная (из расчета

или из

эксперимента)

выраже­

ния для

величин Вм,

Вя

и В р , можно вычислить

значение

коэффи­

циента

стабилизации

S C T

для

любой

точки кривой

настройки.

2. Инженерный расчет и конструирование

магнетронов с асимметричной

настройкой

полым

резонатором

На

рис.

V.2 представлены

два

варианта конструкций

магнетронов 10-см диапазона с асимметричной

настрой­

кой полым

резонатором.

В

первом

варианте

(рис.

V.2,a)

.перестраивающий

элемент полого резонатора (поршень) укреплен

на

гоф­

рированном

сильфоне

цилиндрической

формы;

во

вто­

ром — н а плоской

мембране .

Д л я

осуществления

быстрой

перестройки

частоты

чение нескольких

сотен часов

работы

магнетрона

(до

10 полных циклов

перестройки

частоты

в диапазоне

5—

на п р а к т и к е

не рекомендуется.

В обоих

в а р и а н т а х использовалась резонаторная си­

связками и

числом резонаторов N=12

(вариант «а») и

N = 8 (вариант «б»). Вывод энергии из

магнетронов осу­

ществлялся

при помощи широкополосных и электриче­

ски

прочных

выходных устройств коаксиально-волновод-

ного

типа [106].

Рис. V.2. Полый резонатор и вы­

ходное

устройство присоединены

к резонаторам

блока

через

один

(а)

и

к

соседним

резонаторам

анодного

блока

(б):

/ —

а н о д н ы й

блок;

2— к а т о д ;

3—по­

л о с т ь

р е з о н а т о р а ;

4 — п о р ш е н ь ;

5 —

В Ч д р о с с е л ь ;

6 — с и л ь ф о н ; 7 — д и а ­

ф р а г м а

с в я з и ;

8 — п е т л я

связи;

9 —

с в я з к и ;

10 — т р а н с ф о р м а т о р

с в я з и ;

/ / — м е м б р а н а ; 12 — е м к о с т н ы й в ы с т у п .

Теоретические и экспери­

ментальные

исследования

настройки

магнетронов

по­

лым

резонатором

были

вы­

полнены В. Н. Готгельфом,

Н. А. Белинским, Ю. Л .

0 6 -

разским и X. И. Спектором .

Типовая к р и в а я настройки

такого

магнетрона

представ­

лена

на

рис. V.3.

И з

рис.

V.3 видно,

что

с

погружением

поршня

в

полый

резонатор

относи­

тельно

некоторого

началь ­

ного положения длина вол­

ны

системы

увеличивает­

ся.

П р и

этом

к р и в а я

на­

стройки

носит

явно

выра ­

женный

нелинейный

харак ­

тер.

В

этом состоит

один

из

основных

недостатков

способов

асимметричной

на­

стройки

магнетрона

внеш­

ним

резонатором .

О д н а к о

опыт убеждает, что при на­

стройке

магнетрона

полым

резонатором

достигаются

такие высокие

стабильности

частоты, которые недостижимы

при

других

способах

ме­

ханической настройки.

Рассмотрим решение этой задачи

по этапам,

обратившись

к кон­

частоты,

импульсной

мощностью

Рп

не

менее

300

кВт должен

устойчиво

и

-стабильно

работать

на

передаю­

щую линию длиной 6 м при КСВН

оконечной

нагрузки

о н = 1 , 5

и

при

изменении фазы нагрузки в пределах

360°. Тепловые уходы частоты при

перестройке

не

должны

превышать

3 МГц. Коэффициент затягивания ча­

стоты F

не

должен

быть

больше

12 МГц.

При

повышенных

требованиях

к

стабильности

выходных

парамет­

ров магнетрона выбор способа на­

стройки

полым

резонатором

являет­

ся

вполне

оправданным.

Известных

из литературы [3,

4] сведений оказалось недостаточ­

ровки размеров

анодные блоки серийно выпускаемых магнетронов

с фиксированной

волной или магнетронов с механической настрой­

рабочим я-видом (Ця-видом)

и ближайшим к нему КВ-видом колеба­

ний (для системы со связками), так

как

между Ця-видом (п =

=N/2)

и видом с n=N/2—1

располагается

Кя-вид.

Из технологических соображений целесообразно конструировать

систему

с

резонаторами

типа

«щель-отверстие» — разноили

равно-

резонаторную систему со

связками.

В пользу разнорезонаторной системы говорят следующие фак­

торы:

—

при

одинаковой

длине волны

разнорезонаторная

система

стройки

в

магнетроне

с

быстрг

перестройкой

частоты:

/ — д и а ф р а г м а с в я з и ; 2 — п о л о с т ь pt

н а т о р а ;

3 —

п о р ш е н ь ;

4 — В Ч

дросс

5 — т е п л о о т в о д ; 6 — к о р п у с м е х а н и

7 — н и к е л е в а я т а р е л к а ; 8 — ш т о к с

л и к о м ; 9 — п р у ж и н а ; 10 — с и л ь ф о »

в искаженном поле колебаний ви­

да я

симметричные

составляющие

малых

номеров

более

интенсивны,

чем в

системе

со

связками.

Уже первые эксперименты по­

казали

нецелесообразность исполь­

зования

разнорезонаторной

систе­

мы

для

осуществления

настройки

магнетрона

полым

резонатором

в диапазоне 5%: на краях диапа­

зона

перестройки

сильно

искажа­

лись

не только поля

нерабочих ви­

дов колебаний, но и поле рабоче­

го

вида (Ця-вида), вследствие

чего

эффективность

взаимодейст­

вия

электронного

потока

с

элек­

тромагнитным полем падала.

Оказалось, что разнорезонатор-

ная

система в сочетании с допол­

нительным полым

резонатором

(при асимметричной

связи)

может

быть использована для осуществления

эффективной настройки

и ста­

широких возможностей для управления спектром резонансных

ча­

стот и, следовательно, величиной разделения видов колебаний

у.

Попытки получить большое разделение по частоте за счет выбо­

ра меньшего числа резонаторов (например,

8) в

системе

со связка­

ми не

привели

к

желаемому

результату:

магнетрон

неустойчиво

работал и не отдавал необходимую

мощность,

так

как при

этом

катод

имел

недостаточно развитую

эмиттирующую

поверхность

(dK = 4,2 мм,

/гк =

14 мм).

X. И.

Спектором,

позволили

раз­

Исследования,

выполненные

диаметра

анодного

отверстия

d a = 16,0 мм;

диаметр

катода dK =

= 9,0 мм;

волновое

сопротивление системы

р с = 4,5

Ом;

величина

разделения

ло частоте у =16%

(критическое разделение*

7К рят =

полого резонатора

( — В р ) , рассчитанные

д л я

з а ж и м о в

АА

эквивалентной

схемы

рис. V.5 по

ф о р м у л а м

•

(К мА)2

(V.9)

В,

(V.10)

В*

о Р

-М-

(V.11)

Здесь ^ о м — р е з о н а н с н а я

волна

анодного

блока;

Лпд—

резонансная

волна

д и а ф р а г м ы

связи,

о п р е д е л я е м а я к а к

критическая

волна

волновода

П - образного

сечения;

tap

— резонансная

волна

радиального

резонатора,

опре­

д е л я е м а я графически

1[12].

в^вд

~Вр^

/

1

1

Рис. V.6. Кривые

входных проводимостей

анодного блока (Вю), диа­

фрагмы связи (В д )

и полого

резонатора

(Bp), рассчитанных для за­

жимов

АА

рис. V.5 по

формулам (V.9) — (V. 11).

ция

входной

проводимости

Вм

имеет

один

пуль (Вм

= 0 —

п а р а л л е л ь н ы й

резонанс)

и один

полюс

( В м = °о — после­

довательный

резонанс) .

Резонансные частоты трех я - видов колебаний

систе­

мы

определяются

графически

к а к

точки

пересечения

кривых

( 5 М

+ Вд)

,И —

Вр.

И з

рис .

V.6

видно,

что

д и а п а з о н перестройки

Ц я - в и -

да

ограничен

нулями

функции

(Вм

+ Вл),

отмеченными

точками Oi и Ог на оси абсцисс. Перестройка

Кя - вида

со

стороны длинных волн ограничена нулем

Оь

а

со

сторо­

ны

коротких

в о л н — полюсом

входной

проводимости

ре­

зонаторной

системы, л е ж а щ и м

в области

существования

б л и ж а й ш е г о

нормального

вида

колебаний n=(N/2)—

1

(на

рисунке

не

п о к а з а н ) .

Перестройка

Д я - в и д а

со сто­

роны

коротких

волн ограничена

нулем

О2, а

со

стороны

длинных волн -— теоретически

неограниченна.

Таким образом, д и а п а з о н перестройки я -видов коле ­

баний и разделение их по

частоте

всецело

определяются

положением нулей и полюсов реактивной

составляющей

входной

проводимости

резонаторной

системы

магнетро­

на и наклоном кривых Вм

+ Вл

и

— B v

в

области

суще­

ствования этих

видов. П р и р а в н и в а я ,

например,

Вш

нулю,

из

(V.9)

находим

А, —Аю м

/ (W—1).

Отсюда

следует,

что с уменьшением числа резонаторов

N

диапазон

перестройки

Ц я - в и д а

в

сторону

длинных

волн

расши­

ряется.

Из

рис.

V.6

видно,

кроме

того,

что диапазон

пере­

стройки

Ц я - в и д а зависит

от

хода

кривых

Вд

и

Вр,

т. е.

от п а р а м е т р о в

д и а ф р а г м ы

связи

(резонансной

волны

и

волнового сопротивления)

и

внешнего

резонатора .

Д и а п а з о н перестройки

Кя - вида с уменьшением

числа

резонаторов N расширяется за счет увеличения разде ­

ления

по

частоте м е ж д у

N/2-

и

(N/2—1)-видами

колеба ­

ний

и

зависит,

к а к

и для

Ця - вида,

от п а р а м е т р о в

д и а ф ­

нием числа резонаторов

уменьшается

и мощность, отда­

в а е м а я магнетроном в

нагрузку, что

нежелательно .

12*

17?

ей наблюдается на собственной

волне

анодного

блока

Ком, л е ж а щ е й

м е ж д у XK0V и кср

диапазона настройки

магнетрона . По обе стороны от этой волны поле

Ц я - в и -

да колебаний

заметно искажено . Сильно

искажено поле

Кя - вида, что

может свидетельствовать

о

с л а б о й

эффек ­

вида

(как

главного

конкурирующего

вида

колебаний)

с электронным

потоком.

Сравнительно

симметрична

осциллограмма

поля

ви­

да n=(N/2—1)=5;

в д и а п а з о н е

перестройки

осцилло­

г р а м м ы

поля

этого

вида с л а б о

изменяются .

Пр и

р а з д е ­

лении

по частоте

м е ж д у Ц я - в и д о м

и видом

п = 5,

равном

16%

(укрит= 14%), последний

практически

не

оказывает

м е ш а ю щ е г о

воздействия на рабочий

колебательный

ре­

ж и м магнетрона . Пр и у<\4%

этот

вид в о з б у ж д а е т с я

на

«минус

первой»

пространственной

гармонике

( | у | = 7 ;

k = — 1).

Будучи

низковольтным

Д я - в и д заметно

отлича­

ется по

н а п р я ж е н и ю

возбуждения

от

Ц я - в и д а

и

практи­

чески

не

мешает

последнему. И с к а ж е н и я ВЧ

полей

Ц я -

Напротив, ближайший

к я-виду коротковолновый вид колебаний

(п = 5) практически не

перестраивается. Это означает, что резона-

видом и

видом п = 5

по всему диапазону настройки Ця-вида

пре­

вышает

критическое

(у>\5%,

укрит = 14°/о).

Рассматривая кривые

нагруженных

добротностей,

заключаем,

что

для Цл-вида перепад

нагруженной

добротности

<2нцтс составляет