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

М е т о д и ка

расчета дисперсионных характеристик на­

с т р а и в а е м ы х

магнетронов подробно описана в работе [3]

периментальный

м а т е р и а л .

1. Настройка емкостной кольцевой коронкой

И н ж е н е р н ы й

расчет

настройки

магнетронов

емкост­

ной

кольцевой коронкой

дан

в [3,

4]. Б о л е е

полный

рас­

чет

мы

приводим

здесь.

П р и настройке емкостной коронкой кольцо с выре­

занными

в нем

к а н а в к а м и

( к о р о н к а ) , смонтированное

с

одной

стороны

анодного

блока,

перемещается

вверх

и

вниз относительно

системы

связок, не

к а с а я с ь

послед­

них

(рис. IIЛ,а).

С

другого

конца

анодного

блока

могут

быть

р а с п о л о ж е н ы

обычные

связки . В магнетронах, на­

с т р а и в а е м ы х емкостной

кольцевой

коронкой,

могут

быть

применены односторонние

связки .

Д л я

упрощения

расчета

предполагаем,

что

связки

(двусторонние,

двойные)

не

имеют

разрывов . Р а з р ы в ы

связок практически

не изменяют

длину

волны

колеба -

+

(

д

~

1){~с^с^-^~)-0'

о м )

где

С — емкость

резонатора;

C C B i — емкость

секции

свя­

зок;

СС в2 — емкость

секции

связка — коронка;

S =

= 2nrCBjN—

д л и н а

секции

связок

( г с в — эффективный

р а д и у с

связок

[1],

N — число

р е з о н а т о р о в ) ;

Хо—

резо­

н а н с н а я волна

резонатора

в

системе

без

связок; X—

ре­

з о н а н с н а я

волна

системы;

tym=2nm/N—

фазовый

сдвиг

на элементарной ячейке системы.

Уравнение (II.1) совместно с

условием

з а м ы к а н и я

резонаторов

в

кольцо

(m = 0,

1, 2,

. . . , N/2)

определяет

спектр

резонансных частот системы.

Воспользовавшись

уравнением

( I I . 1 ) ,

вычислим

дли ­

ну

волны

колебаний

я - в и д а

( т = 0)

в

зависимости

от

величины

переменной

емкости

С/,

д о б а в л я е м о й

к

емко­

сти

связок.

П о с л е

несложных

преобразований

получим

XK =

X0Vl+(Cc,

+

Ci)IC,

(II.2)

где

С с

в = 2 С с в г ,

С г = С с в 2 — С С в 1 .

П о л а г а я

С/.= 0,

д л я

наи­

меньшей

волны

колебаний

я - в и д а

получаем

^ М И Н

=

Я о К 1 + С е в / С

(II.3)

Д и а п а з о н

настройки

перемещением

коронки

определяет ­

ся

по

ф о р м у л е

b

W

m

= Vl+CifCt

-

1,

(Н.4) '

где

C s

=

С +

С С В

— суммарная

емкость

резонатора

и

связок .

Если относительный д и а п а з о н

перестройки

частоты

не

п р е в ы ш а е т

20%,

ф о р м у л у

(П.4)

с

достаточной

д л я

практики

степенью

точности

м о ж н о

з а п и с а т ь

в

виде

Л * Я м и н

=

С г / 2 С г

(II.5)

На рис. 11.2 приведены типичные кривые настройки

емкостной кольцевой коронкой магнетронов 10-см

(а) и

дециметрового

(б)

диапазонов длин

волн. И з

рис.

II.2,а

видно, что практически

весь

диапазон настройки

опре­

деляется перемещением

коронки от

торцевой

поверхно­

сти

связок в глубь

к а н а в к и

{ + 1);

из рис. 11.2,6 видно,

что

изменение

частоты,

вызванное

перемещением

ко-

А,см

Я, см

36,0

\3,0

3t,0

I

|

I

I

I

I

О

+1,0

1,нм

-1,мн 0

+1,0

+2,0

+3,0 С,т -1,мм -1,0

а

б

Рис.

11.2.

Кривые на.стройки

магнетронов емкостной кольцевой ко­

ронкой:

с - - м а г н е т р о н

JO-см

д и а п а з о н а

(QK59);

б — м а г н е т р о н д е ц и м е т р о в о г о

д и а п а -

ронки внутри системы связок

на величину

приблизи ­

тельно в два раза больше изменения

частоты, вызван ­

ного

перемещением коронки

над торцевой поверхностью

связок на

ту ж е

величину.

К а к

следует

из ф о р м у л ы

(11.5), величина

относитель­

ного

д и а п а з о н а

настройки

обратно

пропорциональна

полной

емкости

резонатора в

системе

со с в я з к а м и

С 5 , =

= С + Сев.

наторами

типа

«щель-

отверстие»:

оди­

/ — без связок:

2— с

нарными

связками;

3 —

единение связок

типа

«а»):

4 — с двойными

связками

(соединение

связок

типа

«б»)

[1].

На

рис.

П.З

для

сравнения приведены

ди­

сперсионные

кривые

анодного

блока без связок (кривая /)

и с одинаковыми двусторонни­

ми связками

(кривая

2). Из рисунка

видно, что при изменении сте­

колебаний

являются

виды

с

номерами

я = 1 ,

« = 5(W/2) и

« = 4(W/2—1). При сильной

связи

вид колебаний я = 1 может

близ­

ко совпадать

по волне

с видами колебаний

я = 5 и я = 4, вследствие

чего поля этих видов искажаются. Напротив, при

слабой

связи

между

резонаторами

поле

рабочего

вида

колебаний

(я = 5)

иска­

жается полем ближайшего к нему коротковолнового

вида

( я = 4 ) .

Влиянием

полей видов колебаний

я = 2 и

я = 3 на

поле

рабочего

вида

(я =

5)

можно

пренебречь.

На

рис.

11.4 для двух

значений

коэффициента

"Гв [1]

показаны

осциллограммы поля видов колебаний

я = 5

и я = 4.

Таким

образом,

при сильной

связи между

резонато-

рами

поле рабочего

вида

колебаний (п = 5)

искажается

в основном

полем

первого

вида

( я = 1 ) , а при слабой связи—полем

ближайшего

вида

(п — А).

При' этом

дестабилизирующее

действие

паразитного

буждения

к

напряжению возбуждения

рабочего

вида [1].

Д о с т о и н с т во способа настройки магнетронов емкост­

ной

кольцевой

коронкой, входящей

в

связки,

состоит

в том, что

при этом

способе м о ж е т

быть

достигнута

сравнительно

б о л ь ш а я

крутизна

линейной

перестройки

частоты

в

д и а п а з о н е

п о р я д к а 10—12%-

К

недостаткам

относятся:

низкая

э л е к т р и ч е с к а я

прочность

промежут ­

ков

коронка — связки;

необходимость

интенсивного ох­

л а ж д е н и я

элемента настройки; различие в крутизне пе­

рестройки

частоты

системы д л я

р а з н ы х

видов

колеба -

я / а

ний, что

неблагоприятно

На рис.

11.5 показаны кри­

вые настройки для трех видов

колебаний:рабочего (п = Ъ), 1етвертого (п = А)

и первого

( г е = 1 ) .

ются

конкурирующими видами, причем

первый

вид

колебаний

(п—\)

на оси длин волн располагается

выше, чем

it-вид (п = Ъ),

и в

коротковолновом участке диапазона

расщепляется

(пунктирная

чепо

также, что при небольших

перекосах

коронки

волна

первого

вида

колебаний

(п=1)

может заметно

изменяться и

приближаться

к волне

л-вида,

вследствие чего

поле

я-вида искажается.

Из рис.

П.5 видно, что крутизна

кривой перестройки

частоты при колебаниях

вида

п = 1 больше, чем при колебаниях

вида « = 4 и п = 5.

На ри­

сунке

для двух

крайних

точек кривой настройки рабочего вида ко­

лебаний

изображены по три лепестка

осциллограмм

поля.

Разли­

наличие у -магнетронов со связками «нулевой» составляющей

поля.

В данном случае амплитуда

«нулевой» составляющей поля

возра­

стает с погружением коронки

в связки.

но

записать

в следующем

виде:

4Kt

1

-+-

5_

1 —

1 , 2и 2 5 2

(cos Ф т

1) h

A2

-

, \

Л2

V

2 я 2 5 2

м -

(П. 12)

COS(jU -

J

пли,

имея

в

виду, что дл я

односторонних

связок

Kt —

=

CS/2hCt

(Ct — емкость секции кольца па

сегмент) и

Ks

= CS/2hC

CBJ в следующем окончательном

виде;

1 ct

1

С п в 2Л2

COS <|>m

— 1 - f

2 я 2 5 2

2

С

cos i>m

+

С

S 2

/ X2

X2

г

COS ф.

. , 2*2 S2 \

(11.13)

[1гп

J

2n2 S2

С

1

+ - Х 2 " /

\ °

Пр и

отсутствии связок

(A 's =oo)

выражени е

(11.13)

принимает

вид

Я = Я 0

K l + C t / 2 C ( l + c o s < } » m ) .

(11.14)

При 7г-виде колебаний

т = 0 и 1%

=

Я0

J/l

-\~1/id/C;

длина

волны

соседнего

вида l N I 2 _ x >

Яя . В

данном

слу-

* В

формуле (IV. 1076)

[3, стр. 175] имеется

опечатка

в знаках

перед

дробными

отношениями

функций.

чае

порядок с л е д о в а н и я

видов

колебаний

такой

же , как

и у

р а в н о р е з о н а т о р н ы х

систем

без

связок

(я - вид

являет ­

ся

с а м ы м

к о р о т к о в о л н о в ы м ) . П р и

отсутствии

ж е

кольца

• настройки

(Kt = °°)

Л Я = Я 0 1 < ' 1 + С С В / С

(11.15)

и ЯN

- С . ^ , т. е. порядок

следования видов

колебанш

такой же , ка к у магнетронов

со с в я з к а м и

(я - вид

являет ­

ся

с а м ы м д л и н н о в о л н о в ы м ) .

Т а к и м о б р а з о м ,

при доста­

сегмент

кривые

настройки

системы

дл я р а з л и ч н ы х

ви­

дов колебаний будут пересекаться .

Пр и этом

величины

отношений резонансных длин волн в д и а п а з о н е

настрой­

ки будут изменяться, переходя от отношений,

х а р а к т е р ­

ных д л я

магнетронов без

связок, к

отношениям, х а р а к ­

терным дл я магнетронов со с в я з к а м и . Это хорошо

видно

из рис. IV.22, [3, стр. 177]. Определим

в о з м о ж н ы й

диа­

пазон настройки магнетрона плоским емкостным

коль­

цом.

И з

у р а в н е н и я

(11.13)

дл я резонансной

волны

си­

стемы

при к о л е б а н и я х я - в и д а

имеем

я х =

я 0 | / Г + с ^ / с + г / Д 7 с .

(П. 16)

З а м е ч а я ,

что минимальное

значение

Я^

определяется из

ф о р м у л ы

(11.15), для относительного

д и а п а з о н а

пере­

стройки

волны

получаем

••ямин

""ТСМИН

Я ж ш м — минимальное

значение

волны

системы

при

коле­

баниях Tt-вида; Cv = С С В - f - С .

Обычно

C f < C s и

формула

(11.17) у п р о щ а е т с я :

А ^ м и н =

^ / 8 С , .

(П.18)

М а к с и м а л ь н ы й

относительный

д и а п а з о н

настройки

ра­

вен

A V ^ , „ H =

Ct M a K c/8C £ ,

(11.19)

где

С/макс — м а к с и м а л ь н а я

емкость

кольца

настройки

на

сегмент, о п р е д е л я е м а я м и н и м а л ь н о

допустимым

рас­

стоянием

м е ж д у

кольцом и сегментом. Крутизна

кривой

настройки определяется по

ф о р м у л е

т а к и м

о б р а з о м ,

м а к с и м а л ь н а я

крутизна

настройки

име-

•г место при минимальном

расстоянии

кольца

от сег-

?нтов

анодного

блока,

т.

е.

при

наибольшей

длине

ты.

Пример.

Суммарная

емкость

резонатора

и

секции

связок

= 2510~14; толщина

ламели

т = 0,2 см; ширина

кольца

е/ = 0,5см;

'шальное

расстояние

кольца от торцевой

поверхности

анодного

<а /,мпн = 0,05 см.; величина

перемещения

кольца

настройки

-0,2 см.

По

формулам

(11.18)

и (11.19)

имеем

С( М И н=3,54 • 10"1 4 Ф;

^(макс =

17,7-

10-»4 Ф.

Согласно

(11.16)

* « м ш ! А Х М а к с =

V(4Cs

+

Cima):{4Cs

+

C t M a K C ) = 0,94

З а м е т и м , что при отсутствии кольца

настройки

(С( = 0)

ф о р м у л а (П.21) переходит в известную формулу

для

разделения

частот

в

магнетронах

с

двойными

связка ­

ми [1]:

A W 2 - 1 _ -I /

f 1 I

£ ™ _

(

(11.22)

П р и

отсутствии

ж е

связок

разделение

по

частоте

м е ж д у я - видом

и

б л и ж а й ш и м

к нему

видом

колебаний

(n = N/2—1)

следует

определять

по

ф о р м у л е

(11.14).

В магнетронах

со с в я з к а м и

с увеличением емкости

коль­

ца настройки Ct разделение по частоте м е ж д у

я-видом

колебаний

и б л и ж а й ш и м

видом

уменьшается .

Относи­

тельная

величина

р а з д е л е н и я

видов по частоте

в диапа ­

зоне настройки

в

зависимости

от

величины

начального

р а з д е л е н и я

частот,

соответствующего

Cj = 0,

определяет­

ся следующим

соотношением:

4—453

49

г де

(Ад,/2

Х 'ХГ),1ЯЧ

— о т н о с и т е л ь н а я

неличина

начального

разделения

частот;

8 =

X

jx

„ - — о т н о с и т е л ь н а я

величина

1

тс(

тс

МИН

диапазона настройки;

4*!2

Г

7L2

/

л/2

\ч

1

S2

с

Пример;

iV =

12;

h S =

3;

C C D

С

=

0,5;

3

^

=

I ,C6.

Расчет дает

A =

1,29

и

-

j

^

7T с

=

1,07-

Так,

если

начальное

разделение

частот

равно

8%,

т.

е.

( > w / 2 _ i A j H a 4

=

0,92,

то

( ^ / 2

_ , ' ^ ) г

=

0,984

и разделение

частот

на

длинновотновом

конце

заданного

диапазона

настройки составляет всего 1,6%-

Из

этого

примера

видно,

что

уменьшение разделения частот с увеличением длины

волны

сильно

ограничивает

применение

данного

способа

настройки

для

получе­

ния

больших

диапазонов

перестройки

частоты.

Р е ш а я уравнение

(11.23)' относительно

б,

находим

^ / 2 — 1

'

•/ ^/V/2—1

\

К

<\

к .

/ I

\

/

н а ч ,

(11.24)

Ф о р м у л а

(11.24)

определяет

величину

максимально ­

го

д и а п а з о н а

настройки

магнетрона

в

зависимости

от

п а р а м е т р о в

резонаторной

системы

и

от

допустимой

ве­

личины

уменьшения

р а з д е л е н и я

видов

по

частоте.

П р и

с л а б ы х

двойных

или

о д и н а р н ы х

с в я з к а х

основное

за­

никает из-за нелинейности

кривых

настройки .

Д о с т о и н с т в а м и

данного

способа

настройки

я в л я ю т с я

его конструктивная простота и применимость

на

прак ­

тике д л я

перестройки

частоты

в магнетронах

сантиме ­

трового

и

миллиметрового

д и а п а з о н о в

длин

волн.

Одна ­

ко в силу

отмеченных

выше

недостатков

этот способ

эффективно м о ж е т быть

применен,

скорее,

д л я

под­

стройки

частоты,

чем

д л я

перестройки ее

в

широком

Д в а в а р и а н т а настройки

магнетрона

емкостной

шты ­

ревой коронкой

схематически

п о к а з а н ы

на рис. П.1,е, ж.

П р и настройке

магнетрона д а н н ы м способом могут

быть