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

к передающему

тракту для величины 5 С Т

также может

быть найдено

выражение,

аналогичное

(V.13).

Задавая

величину AXi

и

вычисляя

или

измеряя

величину ДЛ'г

для любого

конкретного случая присоединения полого

резонатора

к передающему тракту, можно вычислить коэффициент

стабилиза­

ции SC T, воспользовавшись

общим

соотношением (V.14).

Д и а п а з о н

настройки

стабилизированного

магнетро­

на А/мр, осуществляемой

за счет

изменения

параметров

полого

резонатора

(при

неизменных

собственных

пара ­

метрах

анодного б л о к а ) ,

связан с д и а п а з о н о м

настройки

того

ж е

магнетрона

AfMC,

но

осуществляемой

обычным

механическим

способом

(при

неизменных собственных

п а р а м е т р а х стабилизирующего

р е з о н а т о р а ) ,

следующим

соотношением:

Л / м р = Д / м с ( 5 с т - 1 ) .

(V . 15)

В

данном

случае

коэффициент

стабилизации

5 С Т

настройки в точке Я — Я о м = Я р д л я

стабилизированного и

нестабилизированного

магнетронов.

Если одновременно

изменяются

и п а р а м е т р ы стаби­

риной диапазона перестройки частоты д л я

нестабилизи­

рованного

магнетрона .

Н а

рис. V . 15

приведены £ F " , M Ч —

.

—

максимально

д о с т и ж и м ы е

диапазоны

перестройки

ча­

стоты,

у с т а н а в л и в а е м ы е

по

устойчивой

работе магнетро­

на

независимо

от

величины

Рис. V.15. Зависимость диапазона

перестройки

частоты

Д/мс

от

коэффициента

стабилизации

S C T

для

магнетрона

3-см

диапазона

с неперестраиваемым

полым

резо­

натором.

относительного перепада

мощности. Пр и этом

собствен­

ная частота

.полого резонатора / р

всякий

раз

в ы б и р а ­

лась приблизительно равной средней частоте

д и а п а з о н а

настройки нестабилизированного

магнетрона .

Если ж е

д и а п а з о н настройки магнетрона ограничить

частотами,

для которых

о т д а в а е м а я

мощность Р н

на

20%

меньше

отдаваемой

мощности

в

оптимальной

точке

Ра

о п т , то

д и а п а з о н перестройки

частоты

при SC T

= 5 составит око­

л о 50 МГц, что приблизительно

в 10 раз меньше

диапа ­

зона настройки нестабилизированного

магнетрона .

Замечено,

что при одинаковых

входных

п а р а м е т р а х

го магнетронов

их д и а п а з о н ы настройки

и

величины

м а к с и м а л ь н ы х

отдаваемых мощностей р а з л и ч а ю т с я

при­

близительно в 5 С Т раз:

н е с т / А / с т ~ SCT, Рн н е с т . м а к с / ^ н с т . м а к с

~ 5 С Т .

П р и этом предполагается, что стабилизирующий

резо­

натор настроен

на фиксированную частоту

и

включен

1

4640

145

5,0

3,0

0,09

4,0

4950

200

5,0

3,0

0,09

2

3700

80

8,6

1,75

0,09

3,5

4400

120

8,6

1,75

0,09

3

4440

140

6,0

2,5

.

5200

135

6,0

2,5

5740

90

6,0

2,5

4

4800

100

5,0

3,0

0,13

5,0

лизации 5 С Т с расчетными

примерно одинакова при

всех

способах измерения этой величины .

В заключение у к а ж е м

на возможность значительно­

го расширения д и а п а з о н а

механической перестройки

ча-

_ l

1

— I

0,95

1,0

1,05 А/Яср

5

Рис. V.17. Принципиальное

устройство (а)

и характеристики (б)

стабилотрона десятисантиметрового

диапазона:

связи ; 4 — ф а з о в р а щ а т е л ь ; 5 — с т а б и л и з и р у ю щ и й р е з о н а т о р ;

6—балластная

н а г р у з к а .

ческие характеристики

(б)

*

одного из

вариантов тако ­

го

генератора,

известного

под названием «стабилотрон».

В

качестве

з а м е д л я ю щ е й

системы

с

электрически

разомкнутыми

концами

в

нем

использован

амплитрон .

Низкие значения коэффициентов

Э С Ч

( е ~ 0 , 0 5

МГц/А)

и

затягивания

частоты

(F&3

М Г ц ) говорят о

высокой

стабильности

таких генераторов.

1.

Вводные

з а м е ч а н и я

П р и

симметричной

настройке

магнетрона

дополни­

тельным

полым резонатором

его

п о л о ж и т е л ь н ы е свойст­

ва

(большая

мощность,

высокие к. п. д. и стабильность,

широкий д и а п а з о н механической

перестройки

частоты)

проявляются

наиболее

полно.

Особое место среди

магнетронов

этого

класса

зани­

мают коаксиальные и

о б р а щ е н н ы е

коаксиальные

маг­

нетроны.

Конструктивная

идея использования цилиндрического

волновода д л я к а н а л и з а ц и и

С В Ч

энергии

на волне

типа

Hoi

и цилиндрического

резонатора,

в о з б у ж д а е м о г о на

колебаниях

вида

Нон,

д л я

стабилизации

перестройки

вида

я многорезонаторпой системы магнетрона.

В

современных магнетронах в качестве стабилизиру ­

блоком,

используется

резонатор

цилиндрической

или

коаксиальной

конструкции,

в о з б у ж д а е м ы й

на

колебани ­

ях вида

Н 0 ц . Во

всех

случаях

перестройка

частоты

маг­

нетрона

достигается

перемещением

бесконтактного

поршня

в торцевой части

этого

резонатора .

Ю . В. Гублер в 1954 г. предложил интересный кон­

структивный

вариант

узкодиапазошгой

(в

п р е д е л а х 1 —

2%)

настройки

магнетрона

закрытого

типа

при высокой

стабильности

его колебательного

р е ж и м а .

В

этом

в а р и ­

анте

выходное

устройство

подключено

непосредственно

к одному из

резонаторов

анодного блока,

а

стабилизи­

р у ю щ и й

резонатор — к

торцу

анодного

блока.

Связь

1 3*

1 9 5

сти д а н н ы й магнетрон не нашел

практического распро­

странения .

Более совершенный в а р и а н т

конструкции

магнетро ­

на п р е д л о ж е н Ю . А. К о в а л е в ы м

в 1963 г. д л я

осущест­

ровом

д и а п а з о н е волн. В этом в а р и а н т е

полость внешне ­

го резонатора непосредственно

п р и м ы к а е т к открытому

торцу

резонаторной системы без

связок,

б л а г о д а р я чему

натора с резонаторной системой магнетрона .

П р и опре­

деленных условиях в такой системе может

в о з б у ж д а т ь ­

лебаний резонаторной

системы,

в к л ю ч а я

нулевой

вид,

если пространство взаимодействия и р е ж и м

магнетрона

рассчитаны

на ж е л а е м ы й вид колебаний;

размеры

(диа­

метр

и д л и н а ) полого

резонатора

в ы б р а н ы

такими, что

в нем

могут

в о з б у ж д а т ь с я

колебания вида

Итпр

с

ази­

мутальной

периодичностью

т,

равной

периодичности

ж е л а е м о г о

вида колебаний резонаторной системы, и

с частотой,

приблизительно

равной частоте

этого

вида;

резонаторной

системы

с нагрузкой на

ж е л а е м о м

виде

колебаний .

Т а к и м способом, например, может быть

осуществлена

перестройка

и с т а б и л и з а ц и я

частоты

в

магнетронном

генераторе миллиметрового

д и а п а з о н а ,

в

котором

рабо ­

чим видом колебаний

является

я/2 - вид [1].

Практический интерес

представляют

исследования

пространственной гармонике

нулевого

вида

колебаний .

Д л я

этой

гармоники в

пространстве

взаимодействия

магнетрона

имеет

место

такое

ж е

распределение

В Ч

поля, к а к и при к о л е б а н и я х я - вида в обычном

магнетро ­

не, но с

удвоенным числом резонаторов N%=2N0:

при

одинаковых

д и а м е т р а х

анодного

отверстия в

рассматри ­

ваемом

магнетроне

число

резонаторов

No в

два

р а з а

меньше,

чем в классическом

(NJ,

и

приблизительно

во столько ж е р а з больше величина отношения

толщины

сегмента

т

к ширине

щели

w.

Л а б о р а т о р н ы й

о б р а з е ц

такого магнетрона

на

фиксированной

волне

имеет

сле­

д у ю щ и е п а р а м е т р ы :

конструктивные;

jVQ = 20;

й а = 1 , 2 Х ;

т / / = 1 , 2 5 ;

/-К /Я=0,36;

г а / я , = 0 , 5 1 ;

/ Д = 0,25;

электрические:

Q0

= 800; Q B H

=

1000;

r,K

= 45%,;

£ „ о / Ч ~ 1

> 2 3 '

где

— амплитуда

„минус первой"

гармоники

поля ну­

левого

вида колебаний; Ек

— амплитуда нулевой или ос­

магнетроне с тем ж е

размером d a

и с Nn

=

2Nc;

входные и

выходные:

(7 а =2 0 кВ ;

/ а = 50 А;

5 = 3400

Гс; < M

= 0,2 мкс;

Q = 2500;

/ 5

н = 1 8 0 к В т ;

TI=- 18%';

/ ^ б М Г ц ;

6 = 1 МГц/А .

Высокочастотная

энергия

выводилась непосредствен­

но

из

торцевой

полости

магнетрона

и

п е р е д а в а л а с ь

в нагрузку по волноводу круглого сечения

на волне

ти­

па

Hoi. В данном

в а р и а н т е конструкции

магнетрона

пе­

рестройка частоты

т а к ж е

в о з м о ж н а .

В

настоящее

время почти

все эти конструкции

вытес­

нены

конструкциями

современных

к о а к с и а л ь н ы х

(КМ)

и обращенных

коаксиальных

магнетронов

( О К М ) ,

озна­

меновавших

своим

появлением

качественный

скачок

в

магнетронной

технике.

2. Общие характеристики КМ и ОКМ

Принципиальное устройство К М схематически

пока ­

зано

на

рис. V I . 1, а

на рис . VI . 2 — О К М . В качестве

ста ­

билизирующего

резонатора

в конструкции

О К М

может

быть

использован

т а к ж е

коаксиальный

резонатор .

В табл . VI . 1 приведены усредненные

значения некото­

Д а н н ы е табл . V I . 1 позволяют у т в е р ж д а т ь , что по

ста­

бильности

частоты

К М приблизительно

на порядок

пре­

восходят

обычные

магнетроны, а по

долговечности —

в несколько

раз . П о мощности и к. п. д. они превосходят

их лишь

на

20—30% [69]. Последнее

объясняется

тем,

Рис.

VI.1. Принципиальное устрой­

ство

коаксиального магнетрона.

/ — р е з о н а т о р н а я

с и с т е м а ;

2 — к о а к ­

с и а л ь н ы й р е з с н а т о р ; 3 — щ е л и с в я з и ;

4 — п о р ш е н ь ;

5 — щ е л ь

в ы х о д н о г о

т р а н с ф о р м а т о р а ; 6 — т р а н с ф о р м а т о р ;

7 — п о г л о т и т е л ь ;

8—резонатор

с щ е л ь ю ;

9 — з а к о р о ч е н н ы й р е з о н а т о р ; 10 — по­

г л о т и т е л ь ; / / — к а т о д .

что у КМ , ка к и у

обычных,

число резонаторов и азиму ­

тальные

размеры

простран­

ства

взаимодействия

могут

быть

увеличены

л и ш ь до

определенного

предела: чис­

ло резонаторов N и диаметр

анодного отверстия da у К М

приблизительно в 1,5—2 ра­

за

больше,

чем у

обычных

магнетронов [70].

К р о м е

того,

по

ряду со­

ображений,

о которых

будет

сказано

ниже,

осевая длина резонаторной

системы

ha

у К М несколько

меньше, чем у обычных

магнетронов,

и

составляет приблизительно 0,15—0,20 от средней

волны

Я с р

рабочего

д и а п а з о н а : / г а ~ ( 0 , 1 5 — 0 , 2 ) Я С р .

П р и

конструировании О К М имеется

большая

свобо­

да

в в ы б о р е

числа

резонаторов

и

рабочих

поверхностей

анода и к а т о д а . В

этом случае

число

резонаторов

анод­

ного блока может быть увеличено до

100 и больше, т. е.

во много раз превосходить число резонаторов

обычного

магнетрона

того ж е

диапазона

волн,

а

отношение диа -

Т а б л и ц а VI . I

Сравнение

параметров и характеристик

коаксиальных

и обычных

магнетронов 3-см диапазона

Наименование

параметра

Обычные

Коаксиаль ­

магнетроны

н ы е маг ­

нетроны

К. П. д . .

%

30—40

45—55

Коэффициент

затягивания частоты, МГц

10—15

3 - 5

Коэффициент

электронного смещения

часто­

200

20

ты,

кГц''А

Относительный срок

службы

1

2 - 5

метра

анода

da

к

диаметру

катода

dK

приближаться

к единице

(a = dJdK>0,9).

Последнее,

в частности,

дает

основание

при

расчетах р а с с м а т р и в а т ь

обращенный

маг­

нетрон

как

плоский

[71].

Тепловые

нагрузки

на

л а м е л и

анодного

блока

и

удельные

плотности

тока эмиссии

с катода

для

О К М

в 2—3

р а з а

меньше,

чем

д л я

КМ. того

ж е

д и а п а з о н а

и

той ж е

мощности.

Т а б л и ц а

VI.2

Параметры

ОКМ

Диапазон

частот,

ГГц

6

10

14—18

30—35

70

Импульсная мощность, МВт

5

3,5

0,5

0,2

0,06

Средняя

мощность,

кВт

5

3,5

0,5

0,1

0,02

Напряжение,

кВ

35

33

25

23

15

К. п. д.,

%

55

50

40

30

15

В

табл.

V I . 2

приведены

усредненные

значения

д л я

основных п а р а м е т р о в

О К М

[68]. Высокая

стабильность

К М

и О К М

обусловливается

тем,

что

при

благоприят ­

ных условиях связи на частоте рабочего

вида

к о л е б а ­

ний,

когда

в

пространстве

взаимодействия

магнетрона

зонаторе

локализуется

до

90%

энергии

от энергии, за­

пасенной

во

всей

системе.

П р и

этом

коэффициент

ста­

билизации

S C T

достигает

значений

8—10.

быть в ы б р а н ы независимо от конструктивных

и

элект­

рических

параметров

с т а б и л и з и р у ю щ е г о

резонатора .

Общий

недостаток

к о а к с и а л ь н ы х

и о б р а щ е н н ы х

коак­

сиальных магнетронов

з а к л ю ч а е т с я

в

том,

что

они

воз­

б у ж д а ю т с я

и

стабильно

р а б о т а ю т

л и ш ь

при

сравни­

тельно малых

крутизнах

фронта 5 ф импульса

анодного

н а п р я ж е н и я :

по

д а н н ы м

И. Д . Хмельковой и

др .

д л я

магнетронов

3-см

д и а п а з о н а

величина

5 ф л е ж и т

в

пре­

делах 2 0 — 1 5 0

к В / м к с ;

о п т и м а л ь н а я

ж е

величина

крутиз­

ны фронта

5 ф О п т ~ 4 0

к В / м к с [72].

К р о м е

того,

настраи ­

в а е м ы е К М и О К М менее

вибропрочны,

чем

обычные

3. Спектры собственных частот в КМ и ОКМ

М е х а н и з м ы работы коаксиальных и о б р а щ е н н ы х

коак­

сиальных

магнетронов во многом схожи . В самом

деле,

и в том

и в другом случае стабилизирующий резонатор

торами *

анодного

блока

через

один,

д р у г а я

система

резонаторов ** непосредственно

не с в я з а н а

с

внешним

резонатором . Будучи связанными

м е ж д у

собой, открытые

и з а к р ы т ы е резонаторы

в о з б у ж д а ю т с я

в

противофазе,

б л а г о д а р я

чему

в

пространстве

взаимодействия

магнет­

рона образуется

конфигурация

поля, п р и с у щ а я

колеба ­

ниям я - вида .

Д р у г и е

нормальные

виды колебаний

резонаторной

линдрического

(в

О К М )

резонаторов

не

п о д д е р ж и в а ю т ­

ся или

п о д д е р ж и в а ю т с я

очень

слабо .

Н а п р о т и в ,

эти

ко­

лебания

хорошо

п о д д е р ж и в а ю т с я

колебаниями

вида

H m n p

(тФО)

коаксиального или цилиндрического резо­

наторов.

Колебания

ж е

вида

ЕтПр

коаксиального или

цилин­

дрического

резонаторов

практически

слабо

с в я з а н ы

с нормальными видами колебаний резонаторной

системы

и сильно

связываются с ними

л и ш ь при нарушении сим-

* Условно будем называть эти

резонаторы

«открытыми».

** Условно

будем

называть эти

резонаторы

«закрытыми».