книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

нами со связками. Кроме того, в разнорезонаторных магнетро­ нах можно делать анодные блоки большей длины, чем в магне­ тронах со связками, что важно для магнетронов большой мощ­ ности.

В описанных выше многорезонаторных магнетронах резона­ торы имеют постоянные, неизменяемые размеры и, следова­ тельно, нерегулируемую собственную частоту; такие магнетро­ ны являются генераторами с фиксированной частотой генерируе­ мых колебаний. Для возможности изменять, хотя бы в неболь­ ших пределах, рабочую частоту были разработаны специальные конструкции настраиваемых многорезонаторных магнетронов. В

£ис. 16.19 Рис. 16.20

этих конструкциях настройка частоты магнетронного генератора производится изменением индуктивности или ёмкости резонато­ ров. Изменение L более удобно осуществлять в магнетронах для очень коротких волн, изменение С — в магнетронах с более длинными рабочими волнами.

Для изменения индуктивности резонаторов в- них вводятся металлические штырьки, перемещаемые по осям вблизи осей ци­ линдрических отверстий резонаторов (рис. 16.19). При углуб­ лении штырька в резонатор уменьшается объём, пронизываемый магнитными силовыми линиями, вследствие чего уменьшается индуктивность и увеличивается собственная частота резонатора. Все штырьки размещены на диске, который укреплён у торцо­ вой поверхности'анодного блока на гибкой диафрагме и при помощи специального нажимного приспособления может быть приближён к аноду или удалён от негоТакими штырьками мож­ но осуществить изменение частоты магнетронного генератора на ±7% от среднего рабочего значения частоты.

Изменение ёмкости резонаторов осуществляется с помощью металлического кольца специальной формы, которое пере­ двигается в области наиболее интенсивного электрического поля резонаторов, т. е. у щелей и выступов анодных сегментов (рис. 16.20). Часто кольцо делают П-образного сечения, как по­ казано на рисунке, и вдвигают его в специальные кольцевые ка-

440

навки, выточенные в торцовой поверхности анода с одной его стороны. При погружении кольца в канавки ёмкость резонато­ ров увеличивается, и частота колебаний уменьшается. Диапазон настройки в этом случае может быть получен несколько мень­ ший, чем в конструкции со штырьками, так как при увеличении ёмкости резонаторов более высокие частоты колебаний вида

п<С—£ , изменяясь быстрее, чем частота колебаний вида тс, мо­

гут совпадать с ней.

Более широкий диапазон настройки можно получить, распо­ лагая подвижное кольцо на одной стороне со связками и изме­ няя перемещением кольца ёмкость и индуктивность связок. При приближении кольца ёмкость связок увеличивается, что умень­ шает частоту колебаний вида тс, в то же время индуктивность связок уменьшается, вследствие чего повышаются частоты коле­

баний вида л < — . Таким образом, с изменением частоты одно­

временно увеличивается разделение частот мешающих колеба­ ний и диапазон настройки в этом отношении не ограничи­ вается.

Мощные многорезонаторные магнетроны используются глав­ ным образом в импульсных радиотехнических установках. Как и в других импульсных лампах, для увеличения полезной мощ­ ности в этих магнетронах применяются высокоэффективные по­ лупроводниковые, сложные и плёночные (обычно подогревные) катоды. Но режим работы катода в магнетроне отличается от ра­ боты катода в простых лампах вследствие того, что возвращаю­ щиеся на катод электроны вызывают своей бомбардировкой вто­ ричную эмиссию с катода и значительный дополнительный по­ догрев его. Дополнительная энергия, получаемая катодом от возвращающихся электронов, составляет от 5 до 10% энергии, подводимой к анодной цепи магнетрона. Поэтому в ряде случаев (именно, для магнетронов очень коротких волн, например, в диапазоне 3-г- 3,5 см) оказывается возможным работать с вы­ ключенной цепью подогревателя катода за счёт разогрева ка­ тода электронной бомбардировкой; накаливать подогреватель в таких магнетронах надо только в начале при включении схемы для- «запуска» её.

Особым требованием к оксидным катодам магнетронов, кро­ ме требования большой эмиссии, является необходимость изго­ товления прочного, с малым электрическим сопротивлением ок­ сидного слоя на катоде, не разрушающегося от электронной бом­ бардировки и от возможных местных перегревов отдельных уча­ стков его поверхности. Для этой цели катоды магнетронов с длиной волны 3 см и короче изготовляются в виде цилиндра с надетой на него никелевой сеткой с очень мелкими ячейками, в которые впрессовывается достаточное количество активного ма­ териала (сетчатый, или синтерированный катод). Применяются

441

также ториево-оксидные и бариево-вольфрамовые, или Л-ка­ тоды.

На рис. 16.21 показана конструкция импульсного многорезо­ наторного магнетрона. На торцовых поверхностях корпуса ано­

442

полюсные наконечники почти вплотную к пространству взаимодействия магнетрона и тем значительно уменьшить маг­ нитодвижущую силу, необходимую для создания требуемого магнитного поля. Поэтому в пакетных магнетронах возможно применить небольшие по размерам и по весу постоянные маг­ ниты и эти магнетроны вместе с магнитной системой получают­ ся меньших размеров, более компактными, чем конструкции, в которых магнетрон и магнитная цепь сделаны отдельными друг от друга. Особенно выгодной 'пакетная конструкция оказывает­

меньше должны быть размеры резонаторов и пространства вза­ имодействия, а напряжённость магнитного поля должна быть больше.

В табл. 16.1 приведены примерные технические данные со­ временных импульсных многорезонаторных магнетронов.

ма непрерывной работы. При таких же размерах анода и резо­ наторов, как в импульсных магнетронах, они отличаются от им­ пульсных применением вольфрамового катода вместо оксидного, меньшей полезной мощностью (из-за меньшего тока эмиссии) и применением водяного охлаждения анода, так как выделяющая­ ся при непрерывной работе на аноде мощность значительно больше, чем при импульсном режиме.

443

В табл. 16.2 приведены примерные технические данные со­

временных многорезонаторных магнетронов непрерывного ре­ жима.

Г Л А В А 17

ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ И ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ

§17.1. Общие сведения о лампах бегущей

иобратной волны

Для создания усилителей сверхвысоких частот, обладаю­ щих одновременно большим коэффициентом усиления и широ­ кой полосой пропускания, приходится отказаться от принципа обмена энергией между электронным потоком и электрическим полем в сравнительно коротком промежутке и использовать принцип непрерывного взаимодействия электронного потока с электрическим полем бегущей волны, фазовая скорость кото­ рой близка к скорости движения электронного потока. Дли­ тельное взаимодействие электронного потока со слабым полем бегущей волны в большой области даёт такой же энергетиче­ ский эффект, как и взаимодействие электронного потока с ин­ тенсивным полем в коротком промежутке, имеющее место в ре­ зонаторах клистронов. Бегущая электромагнитная волна с ма­ лой напряжённостью поля может быть создана в системах, по­ добных линиям с распределёнными постоянными, которые не обладают резко выраженными резонансными свойствами. По­ этому электронные приборы, основанные на принципе длитель­ ного взаимодействия электронного потока с полем бегущей вол­ ны, должны обладать значительно более широкой полосой уси­ ливаемых частот, чем клистроны, в которых применяются ре­ зонаторы с узкой полосой частот. Лабораторные образцы таких ламп были созданы в 1945—1947 гг.

Электронные приборы для усиления и генерирования свёрхвысоких частот с электронным потоком в виде луча, использую­ щие передачу энергии электронов полю бегущей электромаг­ нитной волны, распространяющейся в направлении движения электронного потока, называются лампами бегущей волны (лбв), а электронные приборы, использующие передачу энергии, электронов полю бегущей электромагнитной волны, распростра­ няющейся в направлении, противоположном движению элект­ ронного потока, называются лампами обратной волны (лов). В лампах бегущей волны и обратной волны, несмотря на иной, чем в клистронах, характер взаимодействия электронов с полем, также используется процесс группирования, т. е. процесс преоб-

445

разования электронного потока с постоянным током в поток с пульсирующим током вследствие изменения скоростей элект­ ронов под воздействием поля бегущей волны при их длительном движении в пространстве, подобный тому, какой имеет место в пролётных клистронах.

Лампы бегущей волны благодаря широкой полосе усиливае­ мых частот и низкому уровню шумов, а лампы обратной волны благодаря широкому диапазону электронной настройки нашли весьма широкое применение в радиотехнической аппаратуре диа­

ли же, например, фазовая скорость волны значительно больше, чем постоянная скорость электронов, то каждый из электронов при длительном движении будет многократно подвергаться по­ переменному воздействию ускоряющих и тормозящих полей об­ гоняющей его волны. В результате суммарный обмен энергией между волной и электронным потоком будет пренебрежимо мал; Если же постоянная скорость электронов значительно больше фазовой скорости волны, то электроны, обгоняя бегущую волну, будут многократно проходить через области ускоряющего и за­ медляющего поля волны, поэтому и в этом случае энергетиче­ ское взаимодействие будет также пренебрежимо мало. Только в случае, когда постоянная скорость электронов примерно равна фазовой скорости бегущей волны, каждый из электронов, под­ вергаясь длительное время воздействию одного и того же поля, будет отдавать ему энергию или отбирать её.

В обычной двухпроводной или коаксиальной линии фазовая скорость распространения волн близка к скорости света. При практически используемых напряжениях невозможно получить столь большие скорости электронов. Для осуществления непре­ рывного взаимодействия электронного потока при технически осуществимых скоростях электронов необходимо иметь систему, в которой фазовая скорость распространения электромагнитных волн значительно меньше скорости света. Устройства, в которых фазовая скорость ьф распространяющихся электромагнитных ко­ лебаний значительно меньше скорости света с, называются за­ медляющими системами. Замедляющие системы, применяемые

в лбв, должны иметь определённую степень замедления т = — ,

обладать достаточно широкой полосой пропускаемых частот и, наконец, бегущая волна в замедляющей системе должна иметь такой характер, чтобы создавать достаточно интенсивную про­ дольную составляющую электрического поля, изменяющую ско­ рость движения электронов.

446

§17.2. Устройство и принцип действия лампы бегущей волны

спродольным магнитным полем

Устройство лампы бегущей волны с замедляющей системой в виде спирали и волноводным входом и выходом изображено на рис. 17.1. Электронная пушка, состоящая из катода К, управляю­ щего электрода У, первого анода А\ и второго анода А% создаёт

сфокусированный электронный поток, который проходит вдол!? оси замедляющей системы, изготовленной в виде спирали С. На управляющий электрод подаётся отрицательное или положи­ тельное относительно катода напряжение в несколько единиц или десятков вольт, на первый анод — положительное напря­ жение в несколько десятков или сотен вольт, а на второй анод — положительное напряжение порядка сотен или тысяч вольт в зависимости от типа лампы. Второй анод и спираль соединены между собой, поэтому скорость движения электронного потока вдоль замедляющей системы определяется напряжением вто­ рого анода. Регулировкой напряжений на управляющем элект­ роде и первом аноде изменяют ток луча и осуществляют его фокусировку. Для того чтобы предотвратить расхождение элек­ тронного .пучка при движении вдоль спирали, применяется осе­ вое магнитное поле, создаваемое соленоидом М большой длины, в который помещается лампа. Электронный поток, пройдя вдоль спирали, поступает на коллектор Колл. Коллектор в одних типах ламп соединён с замедляющей системой и имеет потенциал вто­ рого анода, в других типах ламп не соединяется с замедляю­ щей системой и для улучшения прохождения луча имеет потен­ циал несколько больший, чем потенциал второго анода. Элект­ ромагнитные колебания, подаваемые на вход волновода В ь рас­ пространяются вдоль спирали. При взаимодействии движущего­ ся вдоль спирали электронного потока с электромагнитной вол­ ной, распространяющейся в том же направлении, происходит

44

увеличение амплитуды волны. Усиленные колебания в конце спирали через волновод В2 подаются в нагрузку. Для того чтобы электромагнитная волна, идущая вдоль волновода B lt не отра­ жалась от входа в спираль, а поступала в спираль, служит со­ гласующий волноводно-спиральный переход, настраиваемый поршнем Я]. Этой же цели на выходе спирали служит второй такой переход, настраивая который поршнем Я 2 добиваются, чтобы электромагнитная волна без заметных отражений от кон­ ца спирали поступала в выходной волновод В2. Электронная пушка, спираль и коллектор обычно помещаются внутри стек­ лянного баллона лампы, а волноводные переходы и магнитная фокусирующая система объединяются в арматуру, в которую вставляется лампа.

Если считать, что электроны луча входят в замедляющую систему со скоростью, соответствующей напряжениям, лежащим в пределах от 250 до 3000 в, и что фазовая скорость волны равна скорости электронов, то замедляющая система должна умень­ шать скорость бегущей волны по сравнению со скоростью света от 10 до 35 раз. Конструктивно наиболее простой и часто при­ меняемой замедляющей системой является спираль. Физически процесс замедления бегущей волны в спирали можно предста­ вить следующим образом. Электромагнитная волна распростра­ няется вдоль проволоки спирали, обегая виток за витком со ско­ ростью, близкой к скорости света, однако фазовая скорость пе­ ремещения волны вдоль оси спирали будет во столько раз мень­ ше, во сколько раз длина одного витка больше шага спирали. Отсюда коэффициент замедления спирали равен

где Л и г — соответственно шаг и радиус витка спирали. Примерное распределение электрических силовых линий по­

ля бегущей волны показано на рис. 17.2а. Так как электронный луч перемещается вдоль оси спирали, то для рассмотрения про­ цессов в лбв нас главным образом интересует поле на оси. Поле на оси спирали и вблизи неё будет иметь в основном только осевую составляющую, так как радиальная и касатель­ ная составляющие из условия симметрии на оси спирали будут равны нулю. Поэтому на электронный поток будет воздейство­ вать только осевая составляющая поля бегущей волны. Изме­ нение осевой составляющей поля е г вдоль оси спирали изобра­ жено на рис. 17.26, причём поле, ускоряющее электронный поток, считается положительным, а замедляющее — отри­ цательным. Периодическое изменение поля вдоль оси в дан­ ный момент времени не обязательно имеет синусоидальный характер, как это изображено на рисунке. Отличие от синусои­ дального изменения свидетельствует о наличии пространствен­ ных гармоник. Однако при дальнейшем рассмотрении будем

448

для упрощения предполагать распределение электрического по­ ля вдоль оси чисто синусоидальным. С течением времени это электрическое поле будет перемещаться, т. е. представлять со­ бой бегущую волну. Бегущая волна напряжённости поля, кото­

рую предполагаем перемещающейся вдоль положительного на­ правления оси z с фазовой скоростью оф, будет в комплексной форме представляться выражением

Рассмотрим теперь процесс взаимодействия электронного потока с осевой составляющей поля бегущей волны. Для того чтобы электронный поток отдавал часть своей кинетической энергии полю бегущей волны и увеличивал её амплитуду, не­ обходимо, чтобы большее число электронов замедлялось бе­ гущей волной, чем ускорялось. Это возможно лишь тогда, ког­ да в области тормозящего поля находится большее число элек­ тронов, чем в области ускоряющего. Следовательно, для эф­ фективной передачи энергии от электронного потока полю бе­ гущей волны нужно, чтобы происходило группирование пер­ воначально однородного электронного потока таким образом, чтобы группы электронов находились в области тормозящего поля, а разрежения — в области ускоряющего поля. В зависи­ мости от соотношения постоянной скорости электронов v0' и фазовой скорости волны 0Й можно различать три случая: ско­ рость электронов Ооравна фазовой скорости волны ьф, скорость электронов 0Онесколько меньше фазовой скорости волны оф, и, наконец, скорость электронов 0Онесколько больше фазовой ско-