7. Коаксиальные и обращенные магнетроны
Среди магнетронных генераторов особое место занимают коаксиальные магнетроны, позволяющие повышать стабильность частоты генерации многорезонаторных магнетронов и увеличивать их выходную мощность.
Основная особенность его конструкции (рис. 25,а) заключается в том, что многорезонаторная система магнетрона 1 связана со стабилизирующим коаксиальным резонатором 2. Коаксиальный резонатор окружает многорезонаторную систему и симметрично связан с ней посредством продольных щелей 3, прорезанных через один резонатор в задних стенках резонаторов анодного блока. Необходимо, чтобы в коаксиальном резонаторе, закрытом с обоих торцов, возбуждался азимутально-симметричный вид колебаний H01q, где q - число полуволн, укладывающихся вдоль оси резонатора. Обычно коаксиальный резонатор настраивается на вид колебаний H011, структура поля которого показана на рисунке. Электрические силовые линии (сплошные) имеют вид окружностей, сосредоточенных в центральной части коаксиального резонатора, магнитные силовые линии (штриховые) - эллипсов, расположенных в радиальных плоскостях и не имеющих вариаций в азимутальном направлении.
Резонатор настраивается коаксиальным короткозамыкающим поршнем 6, который вводится в торец резонатора. Волноводный вывод энергии 5 связан с коаксиальным резонатором через щель 4, расположенную в торце прямоугольного волновода и направленную вдоль наибольшего размера его поперечного сечения. При этом электромагнитное поле вида колебаний H011 в коаксиальном резонаторе возбуждает волну Н10 в прямоугольном волноводе.
Электромагнитное поле вида колебаний H011 коаксиального резонатора 2 через щели связи 3 возбуждает синфазные колебания в тех резонаторах анодного блока, которые связаны с коаксиальным резонатором. При этом в многорезонаторной системе могут возникнуть и поддерживаться колебания нулевого или π-вида. Поскольку резонансные частоты нулевого и противофазного видов колебаний в многорезонаторной системе магнетрона достаточно разнесены, путем настройки коаксиального резонатора нетрудно выделить π-вид колебаний. Такой принцип выделения π-вида колебаний апалогичен действию связок, объединяющих синфазные колебания, и является еще одним способом разделения видов колебаний.
Рис. 25. Схемы устройства коаксиального (а) и обращенного (б) магнетронов
Высокое значение собственной добротности коаксиального резонатора приводит к повышению добротности всей системы и позволяет повысить стабильность частоты генерируемых колебаний как по отношению к изменениям нагрузки, так и по отношению к нестабильности электрического режима питания. Частота генерации определяется в основном резонансной частотой коаксиального резонатора, а реактивная электронная проводимость пространства взаимодействия не оказывает существенного влияния на частоту коаксиального магнетрона. Коаксиальный магнетрон может работать на более рассогласованную нагрузку, чем «классический» магнетрон, поскольку стабилизирующий резонатор равномерно связан с многорезонаторной системой и вносимая нагрузка не нарушает структуру электромагнитного поля в пространстве взаимодействия коаксиального магнетрона. Зона срыва колебаний в нагрузочной характеристике коаксиального магнетрона меньше, чем для «классического».
Увеличение числа резонаторов и однородность высокочастотного поля в пространстве взаимодействия способствуют повышению электронного к.п.д. коаксиального магнетрона.
Аналогичный принцип стабилизации частоты использован также и в конструкциях обращенных магнетронов (рис. 25,б). Такое название эти магнетроны получили потому, что в их конструкции использовано необычное, обратное, взаимное расположение анода и катода, причем радиус анода меньше радиуса катода. Эмиттирующее покрытие нанесено на внутреннюю цилиндрическую поверхность катода К, который окружает многорезоиаторную систему 1 анодного блока. Ламели многорезонаторной системы 7 направлены наружу, к катоду. Стабилизирующий резонатор 2 цилиндрического типа находится в центре магнетрона и связан с многорезонаторной системой через щели связи 3, аналогичные щелям в коаксиальном магнетроне.
При наличии π-вида колебаний в многорезонаторной системе, связанной с цилиндрическим резонатором через N/2 щелей системы, в нем возбуждается азимутально-симметричный вид колебаний Н011, структура поля которого показана на рисунке.
Цилиндрический резонатор является полуволновым и перестраивается бесконтактным короткозамыкающим поршнем 6, включенным в один из торцов резонатора. В другом торце размещены отверстия связи 4 между круглым волноводом и стабилизирующим резонатором. Центры отверстий связи находятся на уровне максимума напряженности азимутального электрического поля вида колебаний Н011. Круглый волновод 5 является продолжением цилиндрического резонатора, и в нем возбуждается волна типа Н01.
Отверстия связи заполняют диэлектриком (в них обычно впаивают керамику). Они выполняют роль вакуумных уплотнений между стабилизирующим резонатором и иевакуумным круглым волноводом. При необходимости круглый волновод может оканчиваться переходом на прямоугольный, позволяющим возбуждать волну типа Н10 в прямоугольном волноводе.
Основным достоинством обращенного магнетрона является большой срок службы, определяемый эмиссионной способностью катода. Высокая стабильность π-вида колебаний позволяет увеличивать количество резонаторов в обращенном магнетроне.
Обращенные магнетроны используют в РЛС различного назначения, где требуется высокая стабильность частоты генерации в коротковолновой части СВЧ диапазона.
Большое внимание уделяют разработке коаксиальных и обращенных магнетронов с быстрой перестройкой частоты в небольших пределах (свиппирование частоты), что позволяет устранить мерцание и исчезновение отраженного сигнала от объекта наблюдения, особенно если последний имеет неправильную форму и занимает различное положение в пространстве. Все способы быстрой перестройки частоты основаны на изменении резонансной частоты стабилизирующего резонатора. При этом вместо короткозамыкающего поршня используют гибкую диафрагму и применяют вибрационный или электромагнитный способ механической перестройки частоты. Часто свиппирование частоты коаксиального магнетрона осуществляют способами электрической перестройки, основанными на использовании свойств пьезоэлектрических материалов, ферритов и pin-диодов.
Нежелательные виды колебаний подавляют либо путем введения локального поглотителя, либо отстройкой его из рабочего диапазона частот путем введения в резонатор локальных неоднородностей. Первый способ наиболее удобен при работе с видами колебаний H0iq, которые имеют кольцевые токи в стенках стабилизирующего резонатора. Введение поглотителей в кольцевые канавки, выточенные в стенках резонатора, способствует выделению рабочего вида Н011. Другие виды колебаний H0iq, например Н012 или Н021, имеют резонансные длины волн, сильно отличающиеся от длины волны вида Н011. Для подавления нежелательных видов колебаний при сохранении высокой добротности вида Н011 в местах перехода от цилиндрических 4 к торцевым 6 поверхностям вводят поглощающие кольца 5 (рис. 26). При этом все виды колебаний, токи которых пересекают окружности раздела между боковыми и торцовыми поверхностями коаксиальных и цилиндрических резонаторов, подавляются. Такие же кольцевые поглотители 1 и 2 могут быть размещены и в запоршневой области 3 перестраиваемого стабилизирующего резонатора.
В коаксиальных и обращенных магнетронах могут возникать «паразитные» щелевые резонансы, т.к. щели связи, как и резонансные окна в линиях передачи, тоже являются резонаторами. Щелевой резонанс часто называют длинноволновым π-видом колебаний.
Рис. 26. Расположение поглощающих колен в коаксиальном резонаторе и запоршневой области (стрелками показаны линии токов «паразитных» видов колебаний)
Щелевые резонансы устраняют путем разнесения резонансных частот и введения поглотителей. Наиболее эффективно длинноволновый π-вид подавляется при одновременном использовании локального поглотителя, расстройки и группирования щелей связи.
В настоящее время коаксиальные магнетроны широко используются в различных радиолокационных установках, особенно в доплеровских системах, где они с успехом вытесняют обычные магнетроны.