книги из ГПНТБ / Левичев В.Г. Радиопередающие и радиоприемные устройства [учеб. пособие]

один сгусток и в обратном направлении пролетают зазор резона­ тора в максимальном тормозящем поле. Центрами группирования являются те электроны, которые пролетают зазор резонатора без изменения скорости при переходе напряжения от положительного значения к отрицательному.

Каждый период через зазор проходит один сгусток электронов, которые отдают полю резонатора свою кинетическую энергию, а сами улавливаются сеткой g\ и ускоряющим электродом. Часть этих электронов возвращается к отражателю, т. е. вторично прохо­ дит зазор резонатора.

Рис. 1.73. Пространственно-временная диаграмма полета элек­ тронов в отражательном клистроне

На основании изложенного можно установить амплитудное и фазовое условия самовозбуждения клистрона. Амплитудное усло­ вие COCTGHT в том, что электроны должны быть сгруппированы в сгустки, а плотность и количество электронов в сгустках не дол­ жны быть меньше некоторых минимумов. Фазовое условие состоит в том, что сгустки электронов должны пролетать зазор резонатора в тормозящем поле. Выполнение амплитудного условия обеспечи­ вается, если ток луча больше некоторого минимального значения. При нормальной эмиссии катода и нормальном значении напря­ жения Еа амплитудное условие автоматически выполняется при выполнении фазового условия. Рассмотрим поэтому более подроб­ но фазовое условие самовозбуждения,

100

Р е ж и м ы р а б о т ы

Из рис. 1.73 видно, что сгустки электронов пролетают зазор резонатора в максимальном тормозящем поле, т. е. точно выпол­ няется фазовое условие самовозбуждения, если среднее пролетное время сгустка, т. е. пролетное время центра группирования, тщ> равно 3/4Т, 7/4Т, 11/4Т и т. д.

или

Пролетное время центров группирования не зависит от ампли­ туды переменного напряжения, а определяется лишь величинами ускоряющего и тормозящего постоянных полей. Если, например, плавно изменять напряжение на отражателе от нуля до —U0 , то будет плавно изменяться пролетное время от наибольшей величи­ ны до наименьшей. Очевидно, генерация невозможна, если сгуст­ ки электронов будут попадать в ускоряющее поле и отбирать энер­

101

ние, если сгустки электронов испытывают наибольшее торможение,

Частоту колебаний клистрона можно изменять в широких пре­ делах перестройкой резонатора. В небольших пределах около ре­

кой клистрона. Электронная настройка используется в схемах автоматической подстройки частоты в приемниках, в схемах ча­

наибольшее торможение. Следовательно, в каждой зоне макси­

Если несколько увеличить напряжение на отражателе, то про­ летное время электронов, образующих сгусток, уменьшится. Элек­ тронные сгустки станут чаще пролетать резонатор и частота гене­ рируемых колебаний повысится. Но мощность вынужденных колебаний уменьшится. При уменьшении напряжения на отража­ теле (от величины U02) частота колебаний и их мощность умень­ шаются (рис, 1.76),

102

Расчеты и эксперименты показывают, что с увеличением но­

Из рис. 1.76 видно, что кривая мощности в любой зоне несим­ метрична. Это объясняется следующим. С увеличением напряже­ ния на отражателе (от центра зоны влево) происходит уменьше­ ние пролетного времени электронов и уменьшение амплитуды на-

1 г мопс

пряжения на сетках клистрона. Обе эти причины ухудшают группирование электронов и поэтому мощность уменьшается резко.

С уменьшением напряжения на отражателе (от центра зоны вправо) также происходит уменьшение напряжения на сет­ ках, но зато увеличивается пролетное время электронов, что способствует лучшему группированию электронных сгустков.

Эксперименты показывают, что максимально возможное изме­ нение частоты генерируемых колебаний за счет изменения напря­ жения на отражателе (диапазон электронной настройки) обычно не превышает 1—2% номинальной частоты, которая определяется размерами объемного резонатора. Наиболее часто диапазон элек­ тронной настройки сантиметровых клистронов заключен в интер­ вале 30—100 Мгц.

103

§8. МАГНЕТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

1.Устройство миогорезонаторного магнетрона

Магнетроном называется мощный автогенератор синусоидаль­ ных колебаний СВЧ, в котором управление электронным потоком

104

Конструкции магнетронов бывают различные, но в радиолока­ ционных устройствах применяются исключительно многорезонаторные магнетроны, создателями которых являются советские ин­

анодном блоке расположены радиаторы 10, улучшающие его охлаждение, которое бывает воздушным или жидкостным.

Отбор энергии производится с помощью петли 6, расположен­ ной в одном из резонаторов. В некоторых типах магнетронов (на волнах короче 3 см) энергия отбирается с помощью щели, соеди­ няющей один из резонаторов с волноводом (рис. 1.78,6). Все ре­ зонаторы связаны между собой посредством высокочастотных по­ лей и специальных связок 5 (рис. 1.77). Связки улучшают работу магнетрона; их роль подробно рассматривается ниже. Наличие сильной связи между резонаторами позволяет располагать петлю

105

в любом из резонаторов. При этом отбор энергии будет осуще­ ствляться от всей колебательной системы в целом.

Устройство вывода энергии должно обеспечить отбор в согла­ сованную нагрузку максимальной мощности и возможно меньше влиять на частоту колебаний магнетрона. Поэтому в нем имеются согласующие трансформаторы. Пример конструкции коаксиаль­ ного вывода энергии показан на рис. 1.79. Волноводный вывод ис-

Рис. 1.79. Устройство коаксиального вывода энергии:

пользуется на волнах короче 3 см. На других волнах используется коаксиальный вывод, а при передаче энергии по волноводу — коаксиально-волноводный переход.

Импульсные магнетроны работают при анодных напряжениях от нескольких сотен вольт до нескольких десятков киловольт. Анод магнетрона заземляется, а катод находится под высоким отрица­ тельным потенциалом.

Постоянное магнитное поле направлено по оси анодного блока. Оно создается с помощью постоянного магнита или электромаг­ нита, между полюсами которого помещается магнетрон (рис. 1.80). Применяются пакетные магнетроны, в которых магнит и магне­ трон конструктивно объединены (рис. 1.81). Это позволяет умень­ шить расстояние между полюсами и при меньших размерах маг­ нита получить большую индукцию В,

106 -

Магнетроны используются в основном в качестве импульсных автогенераторов в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. В настоящее время достигнута максимальная импульсная выход­ ная мощность магнетронов по­ рядка 10 Мет, но наиболее часто она измеряется сотнями квт.

Основной вид колебаний в магнетроне

Колебательная система маг­ нетрона состоит из N связанных между собой резонаторов. Каж­ дый резонатор в отдельности эквивалентен одиночному колеба­ тельному контуру LaC0 (рис. 1.82). Связь между двумя соседними резонаторами осуществляется че­

рез емкости С,< и взаимоиндуктивность М. Емкость С к образована каждым сегментом магнетрона и катодом.

В сложной колебательной системе могут существовать различ­ ные типы колебаний. Каждому типу колебаний соответствуют своя резонансная частота и свой фазовый сдвиг между токами (напря­

ко в этом случае, приняв фазу тока в одном из резонаторов за ис­ ходную и обойдя все N резонаторов по замкнутому кольцу, при­ дем к исходному току с его начальной фазой. Следовательно, сдвиг фаз колебаний в двух соседних резонаторах можно опреде­ лять по формуле

2и/г

где п— целое число, которое показывает, сколько волн поля укла­ дывается по окружности анодного блока. Этим числом принято ха­ рактеризовать тип колебаний.

Этот тип колебаний является основным для современных магне­ тронов.

В магнетронах применяются специальные меры, чтобы полу­ чить возбуждение именно этого типа колебаний. Изменение полей тс-типа колебаний с течением времени показано на рис. 1.83, а рас­ пределение напряжения и полей по окружности анодного блока для фиксированных моментов времени—на рис. 1.84. Из этих ри­ сунков видно, что в колебательной системе устанавливаются стоя-

107

Рис. 1.83. Колебания электромагнитного поля в магне­ троне (/г=4)

Рис. 1.84. Распределение напряжения и высокочастотных полей вдоль анод­ ного блока

чие волны, причем по окружности анодного блока укладывается

N

•у волн, а на каждом резонаторе—половина волны.

Пучности напряжения стоячих волн находятся в щелях резо­ наторов, а пучности тока — на стенках цилиндроЕ. Узлы и пучно­ сти напряжений и токов неизменно сохраняют свои места, и, сле­ довательно, колебания этого типа наиболее устойчивы. При коле­ баниях других типов хотя бы в одной из щелей имеется узел на­ пряжения, а распределение узлов и пучностей среди резонаторов случайное и неустойчивое. В процессе работы узлы и пучности

к.п.д. магнетрона благодаря эффективному взаимодействию элек­ тронного потока с переменным полем. Условия получения коле­ баний тс-типа изложены ниже. Будем считать, что магнетрон рабо­

тронов выделяется на аноде в виде тепла; в анодной" цепи про­

Магнитная сила не изменяет величины скорости электрона, но она искривляет траекторию его движения, как показано на рис. 1.85,6. В результате этого путь движения электронов удлиняется, но анодный ток не уменьшается.

При увеличении индукции траектория электрона все более ис­

109