Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Используя (7.4), можно преобразовать (7.22) к видуηэ = 1 − (U a / U a . кр )( Bкр / B) 2 .Это соотношение устанавливает связь электронного КПД с режимом работымагнетрона, определяемым анодным напряжением и индукцией. В критическом режимеUa=Ua.кp, B=Bкр и ηэ=0. В этом случае, как уже указывалось ранее, нет самовозбуждения.Чем сильнее режим работы отличается от критического, тем выше электронный КПД.
Вреальных многорезонаторных магнетронах электронный КПД достигает 50–70% и более.Как правило, магнетрон – это мощный генератор СВЧ-колебаний, для которого получениезначительного электронного КПД весьма существенно.Рассмотрим влияние индукции В на электронный КПД. Величины Ua и В в (7.22)связаны условием синхронизма.
Эта связь изображается пороговыми прямыми всоответствии с уравнением (7.19). Подставляя (7.19) непосредственно в (7.22), получаемКПД для нулевой пространственной гармоники:(7.23)По формуле (7.23) с увеличением индукции В происходит рост электронного КПД. Приувеличении В необходимо пропорционально увеличивать Uа, чтобы сохранилось условиесинхронизма (нахождение на одной пороговой прямой). Поэтому переносная скорость vп имаксимальное значение скорости около анода vа.макс в (7.21) остаются неизменными.Таким образом, в (7.20) энергия Wк не изменилась, a Wп увеличилась из-за роста анодногонапряжения Uа, следовательно, электронный КПД должен возрасти.Из (7.23) можно также сделать очень важный вывод о зависимости электронного КПДот номера вида колебаний при постоянной индукции В.
Наибольший КПД получают приπ-виде колебаний, так как с ростом п КПД увеличивается. На рис. 7.14 показанатеоретическая зависимость электронного КПД от индукции В и номера вида. Всоответствии с (7.23) кривые имеют вид гипербол.Электронное смещение частоты. Электронным смещением частоты называют связьчастоты генерируемых колебаний с анодным током, по которому обычно контролируютрежим работы магнетрона (рис. 7.15).Крутизна электронного смещения частоты в рабочем режимеSЭСЧ=dfг/dIa, МГц/А.109Рис. 7.14Рис. 7.15Наибольшую SЭСЧ получают для данного магнетрона при малых анодных токах: онаможет составлять несколько десятков мегагерц на ампер или больше.Рабочие характеристики.
Рабочими характеристиками магнетрона называют связьмежду анодным напряжением и током при постоянных мощности, КПД, частоте илииндукции поля, т. е. эти характеристики позволяют выбрать режим работы (Uа, Iа) призаданных мощности, КПД, частоте или индукции.Связь Uа и Iа при B=const называют вольт-амперной характеристикой магнетрона, иликривой постоянной индукции (рис. 7.16,а).
Объяснение хода вольт-амперныххарактеристик непосредственно следует из диаграммы рабочих режимов (см. рис. 7.10,а).Возбуждение колебаний начинается при пороговом напряжении. Дальнейшее повышениеUa, приводит к быстром возрастанию Iа. При переходе к другому значению индукциихарактеристика смещается, так как самовозбуждение в соответствии с диаграммойрабочих режимов начнется при большем Ua.Кривые постоянной генерируемой мощности показаны на рис. 7.16,б.
Генерируемаямощность Р=ηэIаUа. Если бы электронный КПД ηэ оставался постоянным при различныхРис. 7.16Iа, то связь Ua, и Iа при заданной мощности изображалась бы гиперболой. Вдействительности ηэ зависит от Iа и поэтому кривые постоянной мощности отклоняютсяот гиперболы. Кривые постоянной частоты определяются электронным смещениемчастоты.110§7.6.Особенности устройства и применения многорезонаторных магнетроновРазличные по назначению магнетроны перекрывают диапазон частот от 300 МГц до300 ГГц. Выходная мощность магнетронов непрерывного действия составляет от долейватта до нескольких десятков киловатт, а магнетронов импульсного действия—от 10 Втдо 10 МВт.
Электронный КПД магнетронов может превышать 70%. Полный КПД, равныйпроизведению электронного КПД и КПД колебательной системы, также высокий, так каксобственная добротность резонаторов велика (порядка 1000). Магнетроны используют вмощных передающих устройствах, например в передатчиках радиолокационных станций.Магнетроны применяют также в ускорителях заряженных частиц и в установках длявысокочастотного нагрева.Основные элементы магнетрона: анодный блок (колебательная система), катодныйблок, узел вывода СВЧ-энергии, система перестройки частоты и магнитная система.Часть этих элементов показана на рис. 7.1.Для создания магнитного поля обычно используют постоянные магниты, но в мощныхмагнетронах и электромагниты.
Индукция поля составляет 0,1—0,5 Т, причем большиезначения обычно соответствуют магнетронам с меньшей длиной волны и импульсныммагнетронам. В некоторых магнетронах магниты конструктивно составляют единое целоес вакуумной камерой. Такие магнетроны называют пакетированными.Число резонаторов в анодном блоке зависит от рабочей частоты и изменяется от 8 до40 при переходе из сантиметрового в миллиметровый диапазон волн. Резонаторы могутбыть щелевые (см. рис. 7.11), типа «щель—отверстие» (см. рис. 7.1) и лопаточного типа(секторные резонаторы). Для улучшения охлаждения наружную поверхность блокаделают ребристой.
В мощных магнетронах применяют принудительное воздушное иливодяное охлаждение. Для вывода энергии из магнетрона используют коаксиальные (см.рис. 7.1), волноводные и коаксиально-волноводные системы.Выпускают магнетроны, работающие на фиксированной частоте, и магнетроны,частоту которых можно перестраивать в небольшом диапазоне (от 5 до 10%)механическим изменением емкости или индуктивности резонаторов (перестраиваемыемагнетроны). Механическая перестройка инерционна и по величине диапазонанедостаточна для некоторых применений.Исследования электронного смещения частоты привели к созданию нового классаприборов магнетронного типа—митронов.Рис. 7.17Рис.
7.18Схема митрона показана на рис. 7.17. Высокочастотной системой митрона служитвстречно-штыревая структура, свернутая в кольцо. Штыри укреплены на двух дисках.Структура связана с внешней колебательной системой, имеющей низкую добротность(1,5—10).Внутри высокочастотной анодной структуры находится холодный катод.111Рис.
7.19Рис. 7.20Горячий катод, эмиттирующий электроны, расположен ниже анодной структуры. Междугорячим катодом и анодной структурой находится управляющий электрод. Вся системаэлементов механически связана при помощи керамических шайб и помещена междуполюсами магнита.Кольцевой электронный поток входит в пространство между высокочастотнойанодной структурой и холодным катодом (пространство взаимодействия). В результатевзаимодействия азимутальных флуктуации электронного потока (электронно-волновыеколебания) с колебательной системой возникают колебания магнетронного типа, аэлектронный поток приобретает форму спиц. Митрон, как и обычный магнетрон,работает на π-виде колебаний.При регулировке анодного напряжения изменяются напряженность радиальногоэлектрического поля в пространстве взаимодействия и скорость вращения спиц вокругхолодного катода.
Это должно вызывать электронное смещение частоты. С изменениемчастоты в узких пределах (5—20%) выходная мощность митронов в непрерывном режимесоставляет 3—150 Вт, а при широких пределах (примерно до двух раз)—0,5—3 Вт.Достоинствомитронов—хорошаялинейностьчастотнойхарактеристикиибезынерционность перестройки частоты.Обычно в магнетроне рабочим является π-вид колебаний.
В § 7.4 рассмотренастабилизация этого вида колебаний. Устойчивое возбуждение колебаний π-вида можнообеспечить также применением высокодобротного контура, связанного с резонанснойсистемой магнетрона. Собственная частота этого стабилизирующего контура должна бытьравна частоте π-вида колебаний. Такой способ выделения π-вида колебаний используетсяв коаксиальном магнетроне (рис. 7.18). Снаружи анодного блока расположен резонатор,связанный с помощью щелей с резонаторами.Таблица 6Параметры некоторых магнетроновВ коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазонах волнприменяют обращенный коаксиальный магнетрон (фрагмент показан на рис. 7.19), вкотором сплошной катод расположен снаружи анодной резонаторной системы, астабилизирующий коаксиальный резонатор сделан внутри анодного блока, по осиприбора.В табл.
6 приведены параметры многорезонаторных магнетронов и его разновидностей,а на рис. 7.20—внешний вид импульсного магнетрона.112Глава 8 ПЛАТИНОТРОН (АМПЛИТРОН И СТАБИЛОТРОН)Платинотрон—усилительный или генераторный прибор со скрещеннымиэлектрическим и магнитным полями (типа М), имеющий сходство как с лампой обратнойволны типа М (см. гл. 6), так и с многорезонаторным магнетроном (см. гл. 7). Сходство сЛОВМ заключается в использовании взаимодействия электронов с полем обратнойпространственной гармоники в обычной (разомкнутой) замедляющей системе, а сходствос многорезонаторным магнетроном—в замкнутости электронного потока.
Нижерассмотрены усилительный платинотрон (амплитрон) и генераторный платинотрон(стабилотрон).§8.1.Принцип работы амплитронаУстройство амплитрона (рис. 8.1) имеет много общего с магнетроном. Как и вмногорезонаторном магнетроне, имеется сплошной цилиндрический катод и анодныйблок с резонаторами. В магнетроне замедляющая система, образованная цепочкойрезонаторов, замкнута, а в амплитроне разомкнута. Последнее обычно достигаетсяразрывом системы связок. СВЧ-сигнал возбуждает черезсвязки поле в резонаторах.
Усиленный сигнал выводится сдругого конца связок.Вамплитронерабочейявляетсяобратнаяпространственная гармоника. В этом состоит сходствоамплитрона с ЛОВ типа М. Чтобы не происходило, как вмагнетроне, самовозбуждения на л-виде колебаний, числорезонаторов в амплитроне обычно нечетное.Таким образом, амплитрон имеет много общего смногорезонаторным магнетроном и ЛОВМ. Для наглядностисравнения амплитронов с другими приборами типа М на рис.8.2 приведены схемы амплитрона, многорезонаторногоРис. 8.1магнетрона, генераторной и усилительной ЛОВМ. Умагнетрона замкнутые электронный поток (спицы) иколебательная система.Рис.
8.2ЛОВМ имеют незамкнутые (ленточный) электронный поток и колебательную систему.Амплитрон занимает промежуточное положение: у него, как у магнетрона, замкнутыйэлектронный поток, и, как у ЛОВМ, незамкнутая СВЧ-система. Амплитрон сохраняетпреимущества магнетрона (высокий КПД, простота устройства, малые габариты) и ЛОВМ(усиление колебаний в сравнительно широкой полосе частот, определяемой в основномполосой пропускания используемых разомкнутых замедляющих систем). В магнетронах113колебательная система узкополосная, так как она является замкнутой системой извысокодобротных резонаторов.Электронный поток в амплитроне возвращается к началу пространствавзаимодействия (куда подводится входной сигнал) сгруппированным в виде спицы,начинающейся у катода и заканчивающейся на аноде.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
