книги из ГПНТБ / Пелюхов П.И. Основы радиолокации учебное пособие

коротких волн, имеют ряд существенных конструктивных осо­ бенностей в сравнении с генераторами более длинных волн. Эти особенности обусловлены влиянием прежде всего двух факторов:

— необходимостью уменьшения индуктивности и емкости колебательной системы генератора, так как частота генери­ руемых колебаний

1

/ =

2 я У L С

— влиянием на процесс генерирования времени пролета Электронов между электродами лампы.

Лампы импульсных ламповых генераторов, как правило; выполняются без цоколей, электроды ламп (анод, катод и сетки) изготовляют более прочными и массивными, чтобы они Могли выдерживать большие электрические нагрузки при им­ пульсной работе. Расстояние между электродами таких ламп с целью уменьшения времени пролета уменьшают до воз­ можного предела, так как чем больше отношение времени пролета электронов к периоду высокочастот­ ного колебания, тем труднее выполнить ус­ ловия генерирования.

Одна из схем генера­ тора метровых волн на Двух лампах показана на рис. 47. В этой схеме аноды ламп замкнуты накоротко перемычкой П, между сетками вклю­ чен контур с движком П\\ предназначенным для регулировки частоты ге­ нератора. Настройка ка­ тодного контура осу­ ществляется перемеще­ нием движка /72. При Помощи подвижных кон­ тактов Д контур связан

с двухпроводным экранированным фидером, по которому энергия поступает в антенну.

В сантиметровом, а также частично в дециметровом диа­ пазонах волн невозможно при помощи электронных ламп, Действующих по обычному принципу, генерировать высоко­

71

частотные колебания большой мощности. Такое положение объясняется тем, что с укорочением длины волны возрастает отрицательное влияние времени пролета электронов между электродами лампы на нормальную работу обычных электрон­ ных ламп с сеточным управлением электронным потоком. Поэтому для генерирования высокочастотных колебаний при­

бания с мощностью в импульсе 1000 кет и более и исполь­ зуется в диапазоне волн от 0,5 до 30 см.

На сантиметровых волнах для генерирования колебаний находят применение генераторы, называемые клистронами. Они более просты по сравнению с магнетронами. Рассмотрим предварительно устройство и работу клистрона как генера­ тора колебаний высокой частоты.

Клистрон — это электровакуумный прибор, состоящий из электронной лампы и одного или нескольких колебательных контуров. Клистрон с одним колебательным контуром приня­ то называть отражательным, а с двумя колебательными кон­

пользуемого в качестве генератора, изображена на рис. 48.

1 Колебательная система в клистроне выполняется в виде объемных резонаторов 1 и 2. Резонаторы могут иметь раз­ личную форму. На рис. 48 они представлены в виде тороидон.

Емкость такой колебательной системы в основном опре­ деляется площадью круглых сеток и расстоянием между ни-

72

поверхности триода.

Работа клистрона основана па взаимодействии электрон­ ного потока с электрическим полем объемных резонаторов Сущность этого взаимодействия заключается в следующем.

Электроны, пролетая внутри объемного резонатора, воз­ буждают в нем свободные колебания При их возникновении электроны могут или отдавать свою энергию резонатору, под­ держивая в нем колебания, или, наоборот, отбирать у резо­ натора часть энергии, вызывая быстрое затухание колебаний. Теоретически и опытным путем установлено, что для поддер­ жания колебаний в объемном резонаторе электроны должны пролетать в нем в тот момент, когда высокочастотное элект­ рическое поле резонатора является для них тормозящим.

Сплошной поток электронов не может поддерживать ко­ лебания в объемном резонаторе, так как в течение первой половины каждого периода электрическое поле резонатора будет для этих электронов тормозящим, а в течение второй половины периода — ускоряющим. В результате одна полови­ на всех электронов, пролетающих через резонатор, будет отдавать ему энергию, а другая половина, наоборот, забирать

ееу него.

Для поддержания колебаний в резонаторе электроны

Должны лететь не сплошным потоком, а группами. В свою очередь, момент пролета каждой группы электронов подби­ рается с таким расчетом, чтобы электрическое поле резона­ тора было для них тормозящим. Таковы условия поддержа­ ния колебаний в клистроне.

Теперь проследим за процессами, происходящими в кли­ строне.

Электроны, вылетающие с поверхности подогревного ка­

заряженным положительно относительно катода.

На пути электронного потока устанавливаются два коле­ бательных контура в виде объемных резонаторов, имеющих форму тороидов. Плоская часть тороида представляет собой две сетки, через которые могут свободно пролетать электроны.

Первый объемный резонатор используется для преобразо­ вания сплошного электронного потока в поток переменной плотности. Колебания высокой частоты в этом резонаторе поддерживаются благодаря электрической связи со вторым резонатором (рис. 48).

Пространство между сетками ац и б\ резонатора называет­ ся модулирующей камерой, или группирователем. Когда в ре­

73

зонаторе возбуждаются колебания частоты /, между сетками действует переменное электрическое поле той же частоты.

После ускоряющего электрода электроны попадают в мо­ дулирующую камеру, где на них между сетками ах и бх воз­ действует переменное электрическое поле. Когда сетка 6i за­ ряжена отрицательно относительно сетки ах, электрическое поле будет тормозящим, а при смене знаков заряда сеток ах и бх — ускоряющим. В модулирующей камере различные группы электронов приобретают различные скорости. Одна группа электронов ускоряется при прохождении через уско­ ряющее поле, другая, наоборот, замедляется, третья в момент смены знаков заряда сеток пролетает модулирующую камеру без изменения скорости.

На участке бхач группы электронов продолжают полет по инерции с той скоростью, которую они приобрели при про­ хождении модулирующей камеры. Электроны, имеющие большую скорость, догоняют медленно летящие, в результате чего происходит группирование электронов по плотности

(рис. 48).

Скорость полета электронов и расстояние между сетками бх и а-2 устанавливаются с таким расчетом, чтобы группы электронов, пролетая второй резонатор, попадали в тормозя­ щее поле и отдавали часть своей энергии резонатору.

Второй объемный резонатор является выходным колеба­ тельным контуром. Группы электронов, проходя пространство между сетками а-г и 62, попадают в тормозящее электриче­ ское поле и отдают часть своей энергии этому полю, благо­ даря чему в объемном резонаторе поддерживаются мощ­ ные колебания.

Электромагнитная энергия из резонатора выводится при помощи петли связи (рис. 48).

Для того чтобы поддерживать колебания в первом резо­ наторе, часть электромагнитной энергии второго резонатора подводится к первому, т. е. устанавливается обратная связь. Электроны после сеток а-л и 62 улавливаются анодом.

В радиолокационных приемниках в качестве маломощных генераторов высокочастотных колебаний очень часто приме­ няются одноконтурные отражательные клистроны. Принци­ пиальная схема такого клистрона показана на рис. 49.

Отражательный клистрон в отличие от прямопролетного имеет один колебательный контур (резонатор). Когда элект­ роны летят в направлении от катода к отражателю, в про­ странстве между сетками а и б осуществляется модуляция электронного потока по скорости. После пролета сетки элект­ роны попадают в сильно тормозящее поле, создаваемое от-

74

Ражателем. Под действием этого поля электроны изменяют направление движения на обратное.

При движении электронов от сетки б к отражателю и в обратном направлении образуются электронные группы. От­ дача энергии колебательному контуру в отражательном кли­ строне происходит при вторичном пролете электронов благо­ даря тому, что электронные группы попадают в тормозящее поле, создаваемое переменными электрическими зарядами Между сетками а и б.

Прямопролетные клистроны имеют существенный недоста­ ток: они не позволяют получить большой полезной мощности Да выходе.

Современные генераторные клистроны являются миогорезонаторными. Мощный пролетный клистрон, изображенный на Рис. 50, имеет четыре объемных резонатора. Высокочастотная энергия от маломощного источника или от линии обратной связи вносится в первый резонатор через отверстие 1. Первый Резонатор используется для модуляции электронного пучка Но скорости.

Во втором резонаторе сгустки электронов тормозятся при пролете электронов в электрическом поле этого резонатора — Насть энергии электронного потока переходит в энергию электромагнитного поля резонатора.

Если на пути электронного потока поставить высокодобРотный резонатор и не связывать его с нагрузкой, то элект­ роны, сформированные в неплотные сгустки, пролетая через Него, получат достаточные изменения скорости за счет взаи­ модействия с электрическим полем этого резонатора. За счет Добавочного изменения скорости в конце следующего про­ странства группирования электроны соберутся в более плот­ ные сгустки и вступят во взаимодействие с электрическим по­

75

лем следующего резонатора, причем это взаимодействие бу­ дет тем сильнее, чем плотнее сгустки электронов.

Таким образом, постановкой на пути электронов несколь­ ких резонаторов, не связанных с нагрузкой, можно добиться большой плотности сгустков электронов, пролетающих через последний резонатор. В результате в этом резонаторе увели­ чиваются амплитуда колебаний высокой частоты и мощность, подводимая от резонатора к нагрузке.

В многорезонаторпом клистроне устранены сетки резона­ торов и их действие заменено действием электрических полей около поперечных зазоров у разрезов трубки дрейфа. Нали­ чие сеток приводило к потере полезной энергии в результате ударов электронов о сетки.

Для получения плотного электронного пучка в многорезонаториом клистроне используется мощный катод и новая система фокусировки. Электроны фокусируются продольным электрическим и магнитным полями.

Продольное магнитное поле создается специальными ка­ тушками, расположенными вокруг пространства группирова­ ния, через которое пропускается постоянный ток.

Мощные миогорезонаторные клистроны на сантиметровых волнах могут генерировать радиоимпульсы с мощностью более десяти мшаватт.

Магнетрон, подобно клистрону, представляет собой элект­ ровакуумный прибор, в котором электронная лампа и объем­ ные резонаторы органически связаны между собой.

Устройство магнетрона показано на рис. 51. Он состоит из катода и анода. Цилиндрический подогревный катод являет­ ся источником свободных электронов.

76

Анод изготовляется из меди или латуни. Он имеет форму Массивного кольца, в котором высверлено несколько (обыч­ но восемь или двенадцать) отверстий, соединенных посред­ ством щелей с пространством между анодом и катодом (рис. 51). Отверстие и щели представляют собой объемный» колебательный контур (резонатор). Емкость объемных кон­ туров сосредоточена в основном между стенками щелей, а индуктивность — в стенках отверстий. Л\ежду катодом и ано­ дом действует анодное напряжение в несколько сотен или тысяч вольт.

Резонаторat

Зыбоды.

• напала \

Рис. 51

Магнетрон помещается в сильное внешнее магнитное по­ ле, силовые линии которого должны быть направлены вдоль оси катода. Магнитное поле обычно создается постоянным магнитом, между полюсами которого устанавливается магне­ трон (рис. 52,а).

Работа магнетрона, как и работа клистрона, основана па взаимодействии электронного потока с объемными резонато­ рами. Взаимодействие электрснов с объемным резонатором магнетрона происходит в тот момент, когда они пролезают под щелью объемного резонатора. Процессы, происходящие при взаимодействии, остаются по существу такими же, как

ив клистроне.

Вмагнетроне электронный поток, источником которого является разогретый катод, преобразуется в электронный по­ ток переменной плотности. Этот поток по форме напоминает

спицы колес (рис. 52,6) и перемещается вокруг катода с оп­ ределенной скоростью. Преобразование и перемещение элект­ ронного потока есть результат одновременного воздействия На электронный поток электрического и магнитного полей.

77

Все резонаторы связаны между собой пронизывающими их магнитными и электрическими полями. При этом колеба­ ния в двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на 180°.

Распределение электрических зарядов на выступах резо­ наторов для одного момента времени показано на рис. 52,6. Через полпериода знаки на всех выступах изменятся.

<9

Р и с . 52

Число групп электронов (число «спиц» электронного пото­ ка) в два раза меньше количества щелей. «Спицы» непре­ рывно вращаются. Скорость вращения «спиц» подбирается с таким расчетом, чтобы время их перемещения от одной щели к другой было равно половине периода высокочастот­ ного колебания. В этом случае группы электронов будут проходить щель в момент действия тормозящего электриче­ ского поля и, следовательно, будут отдавать часть своей энергии объемному резонатору.

Поскольку объемные резонаторы электрически связаны между собой, отвод энергии из магнетрона достаточно осуще­ ствлять из одного резонатора.

Высокочастотная энергия выводится из магнетрона при помощи витка связи, который помещают в один из резона­ торов, чем достигается индуктивная связь между резонато­ ром и линией передачи (рис. 51) или через щель связи.

В заключение следует отметить, что изменение частоты колебаний, генерируемых в магнетроне, связано с некоторы­ ми трудностями, так как размеры объемных резонаторов, от

78

которых зависит частота генерируемых колебаний,, остаются постоянными для одного магнетрона. Магнетроны, рассмот­ ренные выше, работают, как правило, на одной фиксирован­ ной частоте.

В настоящее время находят применение диапазонные маг­ нетроны,. в которых частота генерируемых колебаний может регулироваться в пределах нескольких процентов.

Существует несколько способов изменения частоты магне­ трона. Наиболее распространен механический способ, осно­ ванный на изменении индуктивности или емкости колеба­ тельной системы: индуктивность объемного резонатора может быть изменена путем ввода поршня в круглую полость резо­ натора, а емкость — путем ввода ножевых плоскостей в щели резонатора.

Магнетроны, применяемые в радиолокационных станциях, как правило, генерируют импульсы большой мощности. При­ мерные максимальные импульсные мощности типовых маг­

Лампа с бегущей волной (ЛБВ) применяется как широ­ кополосный усилитель высокочастотных колебаний преимуще­ ственно на сантиметровых волнах.

Лампа представляет собой стеклянную колбу, внутри которой размещены электронная пушка, состоящая из катода, Управляющего электрода и фокусирующей катушки, замедля­ ющей системы в виде проволочной спирали, и коллектора

(рис. 53).

79

Электронная пушка предназначена для формирования, фокусирования электронов в узкий пучок и ускорения дви­ жения электронов. Электронный поток в пространстве между электронной пушкой и коллектором направляется вдоль оси металлической спирали.

Усиливаемые высокочастотные колебания подводятся по первому волноводу. Возбуждаемые при этом в ЛБВ электро­ магнитные волны распространяются вдоль витков спирали со скоростью с ~ 300 000 км/час.

Если спираль имеет диаметр d и шаг намотки h, то волна, распространяясь по спирали со скоростью v, перемещается вдоль оси со скоростью

Работа лампы с бегущей волной, как и работа клистрона, основана на взаимодействии электронного потока с высоко­ частотным электромагнитным полем. Однако, если в клист­ роне электронный поток взаимодействует с полем только во время пролета электронами небольшого расстояния между сетками резонатора, то в лампе с бегущей волной электроны взаимодействуют с полем па большем расстоянии.

Процесс взаимодействия может быть пояснен следующим образом. При действии на входной (левый) конец спирали высокочастотных колебаний образуется электромагнитная вол­ на, которая будет распространяться вдоль свернутого в спи­ раль проводника со скоростью с, близкой к скорости 300 000 км/сек. При распространении волны по спирали одни участки проходов линии окажутся заряженными положитель­ но, другие — отрицательно. Между витками спирали образу­ ется электрическое поле, направленное вдоль оси и переме­ щающееся со скоростью V.

Электроны, вылетевшие из катода сплошным потоком, пролетая внутри спирали, оказываются под воздействием это­ го осевого поля. Электроны, попавшие в тормозящую фазу волны, так и останутся в ней, а электроны, попавшие в фазу ускорения, начнут обгонять волну, перемещаясь в участок тор­ можения.

Таким образом, в пучке начнется группирование электро­ нов в тормозящих фазах волны, причем число тормозящихся электронов вблизи выходного конца спирали будет больше числа ускоряющихся. Полет электрона в тормозящем поле сопровождается отдачей его энергии электромагнитному по­ лю, что и обусловливает усиление подведенных ко входу сигналов.

Лампа будет усиливать проходящую через нее волну

80