5.4. Платинатрон

Платинатроны представляют собой приборы типа М с замкнутым электронным потоком и незамкнутой замедляющей системой. Применяются как для усиления, так и для генерирования СВЧ колебаний. В первом случае они носят название амплитронов, во втором – стабилитронов.

Устройство платинатрона представлено на рис. 5.13. Замедляющая система 1 лопаточного или бугельного типа, которая может

Рис. 5.13. Схема платинатрона: 1 – ЗС лопаточного типа; 2 – связки ЗС; 3 – катод; 4 – пространство взаимодействия

рассматриваться как разновидность гребенки, свернута в кольцо и содержит нечетное число резонаторов. ЗС снабжена связками 2 и обладает отрицательной дисперсией. Концы связок выведены наружу и образуют вход и выход платинатрона, через которые подлежащий усилению сигнал вводится в ЗС и выводится из нее. Катод платинатрона представляет собой цилиндр 3, вся боковая поверхность которого является эмитирующей. Электроны, вышедшие из катода, описывают в пространстве взаимодействия 4 эпициклоиды и перемещаются вдоль ЗС с переносной скоростью

. (5.14)

Равенство v_ф =v_дробеспечивает синхронизм электронов с волной.

Принципиальной особенностью процесса взаимодействия в платинатроне является то, что электроны могут совершать несколько оборотов вокруг катода, проходя таким образом по несколько раз вдоль ЗС. Благодаря этому на вход ЗС поступает уже в значительной степени сгруппированный электронный поток. С одной стороны, это увеличивает эффективность взаимодействия волны с электронами, но с другой – сужает полосу усиливаемых частот. Действительно, сама по себе ЗС платинатрона достаточно широкополосна. Но замкнутость электронного потока накладывает дополнительные требования, по которым электрон, совершив оборот вокруг катода и вернувшись в исходное сечение, должен попасть там в поле той же фазы, что и ранее. Это условие аналогично условию для магнетрона

(5.15)

Если условие не будет выполнено, и сгусток, ранее собранный в фазе максимального тормозящего поля, попадет теперь не в тормозящее, а ускоряющее поле, то условия группирования будут нарушены, и сгусток распадется. Таким образом, условие (5.15) является условием устойчивости сгустка в платинатроне. Для сохранения сгустка достаточно, чтобы он попал в тормозящий полупериод. С учетом этого замечания условие (5.15) может быть записано в виде

. (5.16)

Таким образом, платинатрон успешно работает в пределах значений ₀(), где₀() соответствует точному выполнению (5.15) и

. (5.17)

Этим пределам изменения коэффициента распространения с учетом дисперсии системы соответствует

. (5.18)

Относительная полоса усиливаемых частот равна

(5.19)

Из выражения (5.16) следует, что платинатрон имеет в диапазоне частот несколько зон усиления, соответствующих различным значениям n. На практике обычно используется зона сn = 2, для которой приемлемый режим сочетается с достаточно большой относительной полосой пропускания (5–10 %) [2, 3].

Основными параметрами, по которым амплитрон существенно превосходит остальные приборы СВЧ, является средняя мощность и коэффициент полезного действия. Работая в диапазоне частот 0,417 ГГц, современные амплитроны способны давать выходную мощность до 100 кВт в непрерывном режиме и до 10 МВт в импульсном; при этом их КПД составляет 90 % в дециметровом диапазоне, снижаясь до 50 % на частоте 10 ГГц. Полоса усиления сравнительно невелика – 5–10 %, усиление – обычно не более 10–15 дБ [2,3].

Такие параметры предопределяют применение амплитронов в качестве выходных каскадов в устройствах, где большая мощность должна сочетаться с достаточно широкой полосой пропускания в радиолокации, в радиопротиводействии и системах дальней связи. Недостатком является его малое усиление, вследствие чего для его возбуждения приходится использовать достаточно мощные каскады.

Особой областью применения платинатронов является генерирование колебаний СВЧ. В таком качестве они носят название стабилитронов (из-за стабильности генерируемой частоты) и отличаются от амплитронов не столько устройством, сколько схемой включения. Схема включения стабилитрона показана на рис. 5.14. Здесь выход стабилитрона 1 включен на нагрузку 2 через рассогласователь 3, отражающий назад часть мощности сигнала. Вход платинатрона нагружен на согласованную нагрузку 4, параллельно которой присоединен высокодобротный резонатор 5. Между входом платинатрона и нагрузкой 4 включен фазовращатель 6.

Рис. 5. 14. Схема включения платинатрона в качестве генератора (стабилитрона): 1 – стабилитрон; 2 – нагрузка; 3 – рассогласователь; 4 – согласованная нагрузка; 5 – высокодобротный резонатор; 6 – фазовращатель

Более сложная схема включения стабилитрона по сравнению с магнетронным генератором окупается двумя существенными преимуществами:

1) стабильностью частоты генерации, которая определяется добротностью резонатора 5, и может быть сделана в несколько сот раз более высокой, чем у обычного магнетрона;

2) возможностью перестройки резонатора 5 и фазовращателя 6 для изменения частоты генерации в пределах полосы усиления платинатрона.

Подобного рода стабилитроны можно использовать там же, где и магнетроны, но требуется повышенная стабильность частоты и возможность ее механической перестройки.