Многорезонаторный магнетрон
Работа добавлена на сайт samzan.net:
PAGE 87
4.2 Многорезонаторный магнетрон
4.2.1 Назначение и устройство
Многорезонаторный магнетрон - электронный прибор типа «М», предназначенный для генерирования СВЧ колебаний, которое происходит в результате взаимодействия электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях с СВЧ полем замкнутой (кольцевой) замедляющей системы, образованной цепочкой резонаторов. В многорезонаторном магнетроне используется внутренний цилиндрический катод, который создает эмиссию электронов по всей длине кольцевого пространства взаимодействия и обеспечивает получение замкнутого электронного потока. Упрощенная конструкция многорезонаторного магнетрона показана на рис.4.7.
Рис. 4.7 - Конструкция многорезонаторного магнетрона
Колебательная система магнетрона образована рядом объемных резонаторов (см.рис.1.1, в), выполненных в материале анода (анодного блока). Электроны эмитируются цилиндрическим катодом. Пространство между катодом и анодом называется пространством взаимодействия. В этой области происходит обмен энергией между электро-нами и СВЧ полем. Объемные резонаторы связаны с пространством взаимодействия через щели, так как СВЧ поле «провисает» в это пространство. При выполнении определенных условий в многорезонаторном магнетроне возникают колебания. СВЧ энергия выводится с помощью витка связи, находящегося в одном из резонаторов, и коаксиальной линии или волновода. Вакуумная камера магнетрона помещена между полюсами электромагнита или постоянного магнита, причем направление магнитного поля совпадает с осью катода. Анод магнетрона имеет положительный потенциал Uа относительно катода. В цилиндрическом магнетроне силовые линии электрического поля направлены по радиусу, а магнитные - параллельно оси магнетрона, поэтому в пространстве взаимодействия электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны («скрещенные поля»).
4.2.2 Свойства колебательной системы магнетрона
Колебательная система многорезонаторного магнетрона состоит из объемных резонаторов и пространства взаимодействия. Соседние резонаторы связаны пространством взаимодействия, поэтому колебательную систему можно представить замкнутой цепочкой связанных объемных резонаторов.
На рис.4.8 показана эквивалентная схема колебательной системы восьмирезонаторного магнетрона. Каждый резонатор в отдельности эквивалентен одиночному колебательному контуру с индуктивностью L0 и емкостью C0. Ck - емкость между сегментом и катодом, которая определяет емкостную связь между резонаторами.
Рис. 4.8 - Эквивалентная схема восьмирезонаторного магнетрона
Предполагается, что магнитная связь между резонаторами отсутствует. Эквивалентная схема представляет собой замкнутую систему (цепочку) полосовых фильтров, поэтому в такой системе могут возбуждаться только те колебания, для которых сумма сдвигов фазы в звеньях при одном обходе кратна величине 2π, т.е. сдвиг фазы на одно звено, или между колебаниями в соседних резонаторах, может принимать лишь следующие дискретные значения:
, (4.11)
где N - число резонаторов, а n - целое число, называемое номером вида колебания. В теории фильтров доказывается, что сдвиг фазы на одно звено в полосе прозрачности системы не может быть более 1800, поэтому номер вида n в (4.11) принимает лишь следующие значения:
n = 0, 1, 2, ..., N/2. (4.12)
Вид колебаний n=0 ( = 0) называют синфазным, а n=N/2, при котором = π - противофазным, или π-видом. Соотношение (4.11) называют условием цикличности или замкнутости СВЧ поля магнетрона.
Каждому виду колебаний (4.12) соответствует собственная частота колебательной системы. Действительно, переход к другому виду означает изменение сдвига фазы на одно звено, а при заданных параметрах L0, C0, Ck каждого звена новое значение можно получить только на другой частоте.
Каждому виду колебания соответствует вполне определенная картина СВЧ поля в пространстве взаимодействия. Силовые линии электрического поля и изменение азимутальной составляющей напряженности n=1-вида колебаний в десятирезонаторном магнетроне (N=10) будут подобны изображенным на рис.1.3.
Зависимость поля от азимута несинусоидальная, поэтому, как и в ЗС с периодическими неоднородностями, необходимо учитывать пространственные гармоники.
Необходимо отметить, что условие цикличности (4.11) справедливо лишь для нулевой пространственной гармоники (m=0) любого вида колебаний. Для гармоники с номером m сдвиг фазы на одно звено в соответствии с (1.3) будет равен:
(4.13)
Для всех пространственных гармоник данного вида колебаний n частота одинакова. Для любого вида колебаний максимальная угловая скорость у нулевой гармоники. Наименьшая угловая скорость нулевой гармоники наблюдается у π-вида. Этот тип колебаний является основным в современных магнетронах, он позволяет получить наибольшую выходную мощность и наиболее высокий КПД.
4.2.3 Стабилизация рабочего вида колебаний
Зависимость частоты колебаний от номера n для эквивалентной схемы колебательной системы восьмирезонаторного магнетрона (рис.4.8) определяется формулой
, (4.14)
где связана с номером вида колебаний условием цикличности (4.11), а - собственная частота изолированного резонатора. По формуле (4.14) увеличение n приводит к росту частоты.
Зависимость частоты от номера вида колебаний приведена на рис.4.9.
Рис. 4.9 - Зависимость
Наименьшая разница частот Δf получается между рабочим видом (n=4) и видом n=3. При увеличении числа резонаторов N разница частот между π-видом и ближайшим видом уменьшается. Эту разницу частот называют разделением частот. Относительное разделение частот Δf /f небольшое, порядка 1% или меньше.
Для устойчивой работы магнетрона на π-виде колебаний желательно иметь разделение частот порядка (10...20)%. При одинаковых размерах резонаторов Δf увеличивают с помощью связок. Другой способ частотного разделения - это выполнение резонаторов разного размера (разнорезонаторные магнетроны), больший и меньший резона-торы чередуются.
Связки представляют собой проволочные или ленточные проводники, расположенные над торцами анодного блока и присоединенные в определенной последовательности к его сегментам.
На рис.4.7 показан вариант двойных кольцевых связок. Каждая связка присоединена к анодному блоку через один сегмент. Если в магнетроне возбуждены колебания π-вида, то каждая связка соединяет точки с одинаковым потенциалом. Поэтому связки не изменяют распределение поля. Однако между связкой и анодным блоком имеется ёмкость, которая понижает резонансную частоту π-вида колебаний по сравнению со случаем отсутствия связок. Для других видов колебаний те же точки уже не имеют одинаковый потенциал. По связкам потекут уравнительные токи, влияние которых эквивалентно подключению индуктивности параллельно двум резонаторам. Это повышает частоты нерабочих видов колебаний.
На рис.4.9 показана зависимость частоты видов колебаний от номера n для восьмирезонаторного магнетрона со связками и без них. В результате применения связок частота π-вида колебаний уменьшилась и повысилась частота других видов, т.е. увеличилось разделение частот. Разделение может достигать 20% и более. Применение связок, правильный выбор рабочего напряжения и его стабилизация позволяют подавить паразитные виды колебаний в магнетроне с непрерывным режимом работы.
4.2.4 Динамический режим работы магнетрона
Динамический режим заключается в самовозбуждении магнетрона, т.е. в возникновении и поддержании в нём СВЧ колебаний за счёт взаимодействия вращающегося электронного объёмного заряда, образованного совместным действием постоянных электрического и магнитного полей, с переменными электрическими СВЧ полями резонаторов.
Рассмотрим физические процессы, протекающие в магнетроне при генерировании колебаний π-вида. При включении анодного напряжения и установления B>Bкр все электроны двигаются по эпициклоидам внутри пространства взаимодействия, образуя электронный поток («электронный ротор»), вращающийся вокруг катода и обладающий энергией, часть которой можно преобразовать в энергию СВЧ колебаний.
Под воздействием вращающихся электронов в резонаторах возбуждаются слабые хаотические колебания, которые вызовут скоростную модуляцию электронного потока и группирование электронов по плотности. В резонаторах начнёт запасаться энергия СВЧ - колебаний, будет расти амплитуда переменного напряжения на щелях на резонансной частоте, а это вызовет в свою очередь более глубокую модуляцию электронного потока. После нескольких десятков циклов вращения потока переходный процесс нарастания СВЧ колебаний за счёт энергии электронов заканчивается. Во всех резонаторах устанавливается одна частота колебаний. Электронный поток в установившемся режиме разбивается на сгустки в виде так называемых спиц, число которых равно половине числа резонаторов, т.е. числу тормозящих полупериодов СВЧ поля. В спицах электроны совершают сложные петлеобразные движения, а сами спицы вращаются с постоянной угловой скоростью вокруг оси анодного блока. С концов спиц «отработавшие» электроны поступают на анод.
Движение отдельных электронов спицы в подвижной системе координат, связанной с бегущей волной пространственной гармоники, показано на рис.4.10.
Рис.4.10 – Движение электронов спицы
Электроны 1 и 3 начали движение в неблагоприятной фазе (в ускоряющем поле). Получив добавочную энергию от поля, эти группы электронов возвращаются на катод, отдавая ему кинетическую энергию. Следовательно, катод дополнительно подогревается за счёт энергии переменного поля. Поэтому в некоторых магнетронах напряжение накала уменьшают или вовсе выключают после предварительного разогрева катода и подачи анодного напряжения.
Электрон 2 начал движение в благоприятной фазе (в тормозящем поле). Двигаясь по эпициклоиде, он под действием тангенциальной составляющей напряжённости электрического поля приближается к аноду, передавая часть своей потенциальной энергии полю, и поэтому не может возвратиться на катод. Описав петлю эпициклоиды, он в точке «а» прекращает приближение к катоду. Из этой точки начинается новая петля эпициклоиды, которую полезный электрон совершает в тормозящем поле соседнего резонатора и т.д. до тех пор, пока не долетит до анода. Такое движение совершают полезные электроны только при выполнении условия синхронизма, которое в рассмотренном примере сводится к тому, что за время одного полупериода колебаний электрон совершает одну петлю эпициклоиды у одного резонатора. Каждый резонатор получает от электрона энергию е, где Uа - разность потенциалов начальной и конечной точек петли. В спице существует динамическое равновесие: в неё непрерывно входят электроны из прикатодной области и выходят на анод.
Напряжение Uа, при котором начинается генерирование колебаний, называется пороговым, при этом появляется анодный ток магнетрона.
Для возбуждения и поддержания колебаний в магнетроне, как и в любом автогенераторе, необходимо выполнение баланса фаз и баланса амплитуд, т.е. фазового и амплитудного условий самовозбуждения, которые обеспечиваются выбором соответствующих значений анодного напряжения и магнитной индукции. Фазовое условие самовозбуждения определяется условием синхронизма, т.е. равенством фазовой скорости Vфm одной из пространственных гармоник СВЧ поля переносной скорости электронов Vn.
Vn = Vфm. (4.15)
Это условие выполняется, если электрон пролетает расстояние между соседними щелями для -вида колебаний за время, равное полупериоду СВЧ колебаний T/2.
Фазовое условие обеспечивает попадание электронных спиц в тормозящую фазу СВЧ поля и передачу ему электронами максимума энергии, полученной ими от источника анодого питания.
Амплитудное условие самовозбуждения заключается в требовании, чтобы большая часть электронов из всего потока попала в тормозящее поле резонатора. Следовательно, электронный поток должен быть сгруппирован в достаточно плотные сгустки, которые должны проходить поле резонаторов в тот момент, когда оно является тормозящим. Энергия, получаемая СВЧ полем от электронного потока, должна быть равна энергии потерь в магнетроне и нагрузке. Выполнение амплитудного условия обеспечивается выбором соответствующих значений Uа и B и высокой удельной эмиссией электронов с катода, достигающей 10-30 А/см2.
4.2.5 Параметры и характеристики многорезонаторных магнетронов
К основным параметрам магнетронов относятся параметры электрического режима и эксплуатационные параметры, характеризующие качество магнетрона.
К параметрам электрического режима относятся: напряжение Uн и ток Iн накала и их допустимые отклонения, не превышающие обычно 10%; номинальное анодное напряжение Uа и допустимый верхний предел этой величины; номинальное и допустимое верхнее и нижнее значения анодного тока Ia; напряженность H или индукция B магнитного поля; для магнетронов, работающих в импульсном режиме - номинальные и допустимые величины длительности импульсов анодного напряжения, их скважность и крутизна фронтов - величин, в значительной степени определяющих спектр генерируемых магнетроном колебаний.
К основным эксплуатационным параметрам относятся: выходная (полезная) мощность генерируемых СВЧ колебаний, отдаваемая в нагрузку Pвых; коэффициент полезного действия ; рабочая частота колебаний и ее стабильность; длительность и частота следования вы-ходных радиоимпульсов и др.
Мощность генерируемых СВЧ колебаний является важнейшим параметром магнетрона и определяется по формуле
Рвых = ,
где - полный КПД магнетрона.
Таким образом, величина Pвых зависит не только от электрического режима работы магнетрона, но и от другого важнейшего параметра - КПД прибора. Выходная мощность магнетронов непрерывного действия составляет от долей ватта до нескольких десятков киловатт, а импульсного действия - от 10 Вт до 10 МВт.
4.2.6 Коэффициент полезного действия магнетрона
Коэффициент полезного действия магнетрона определяется отношением выходной мощности СВЧ колебаний Pвых к мощности, подводимой к магнетрону от источника анодного напряжения Ua. Электроны, получая энергию от постоянного электрического поля, не полностью передают ее СВЧ полю резонаторов. Некоторые электроны вообще не участвуют в механизме передачи энергии, так как в самом начале, получив дополнительное ускорение, возвращаются обратно на катод и нагревают его, отдавая при соударении с его поверхностью оставшуюся энергию. Рабочие (полезные) электроны, образующие спицы и многократно взаимодействующие с СВЧ полем резонаторов, в большинстве случаев достигают анода, не израсходовав полностью своей энергии, и передают ее остаток аноду, нагревая его при соударении. Таким образом, часть энергии, полученной электронами от постоянного электрического поля, расходуется бесполезно. Этот расход энергии называют электронными потерями. Отношение энергии, полученной СВЧ полем резонаторов от электронного потока, к полной энергии, сообщенной электронам постоянным электрическим полем, называется электронным КПД магнетрона эл. Эта величина характеризует эффективность взаимодействия электронного потока с переменным электрическим полем.
Энергия СВЧ колебаний расходуется также и в самих резонаторах (на восполнение потерь, обусловленных активным сопротивлением), в устройствах вывода энергии, в диэлектриках и т.п. Эти потери определяют КПД колебательной системы к. Коэффициент полезного действия магнетрона, таким образом, равен
.
Величина электронного КПД магнетрона существенным образом зависит от режима его работы. КПД колебательной системы магнетрона к зависит от рабочей частоты и лежит в пределах 0,9...0,95 для дециметровых волн и 0,6...0,65 для магнетронов миллиметрового диапазона волн. Электронный КПД магнетронов, как и других приборов типа «М», может превышать 70%.
4.2.7 Рабочая частота колебаний
Рабочая частота колебаний определяется параметрами резонаторов и конструкцией анодного блока (в том числе количеством резонаторов), величинами B, Ua. Существует следующая зависимость между числом резонаторов N, магнитной индукцией B и частотой генерируемых колебаний f
NB = af , (4.16)
где a - коэффициент, зависящий от конструкции.
А магнитная индукция в соответствии с (4.7) связана с анодным напряжением формулой
.
Из (4.16) видно, что для более высоких частот нужно иметь большее число резонаторов или увеличивать магнитную индукцию B и при этом увеличивать анодное напряжение.
Обычно магнитная индукция составляет от 0,1 до 0,5 Тл.
- Рабочие характеристики магнетрона
Рабочими характеристиками магнетрона называют связь между анодным напряжением и током при постоянных мощности, КПД, частоте или индукции. Эти характеристики позволяют выбрать режим работы (Ua, Ia) при заданных мощности, КПД, частоте или индукции. Рабочие характеристики снимают при высокочастотной нагрузке, для которой КСВН 1,1.
Связь Ua и Ia при B=const называют вольтамперной характеристикой магнетрона (кривой постоянной индукции) (рис.4.11,а).
Возбуждение колебаний начинается при пороговом напряжении. Дальнейшее повышение Ua приводит к быстрому возрастанию Ia . При переходе к другому значению индукции характеристика смещается, так как самовозбуждение начинается при большем Ua. В областях малых и больших токов наблюдается неустойчивая работа. При малых токах возможны «перескоки» с рабочего вида колебаний на другие (низковольтные), при больших токах возникают искрения (пробои), которые могут привести к разрушению катода или к пропаданию (пропуску) отдельных импульсов в импульсных магнетронах. Вследствие указанных причин для каждого типа магнетрона существуют рабочие пределы изменений Ua і Ia. Другие параметры (В, , Рвых) при выбранных значениях анодного напряжения и тока однозначно определяются рабочими характеристиками.
а- вольт-амперная характеристика;
б - кривые генерируемых мощностей
Рис. 4.11 - Характеристики магнетрона
Кривые постоянной генерируемой мощности показаны на рис.4.11, б. Генерируемая мощность Р=IaUa. Если бы электронный КПД оставался постоянным при различных Iа, то связь Ua и Ia при заданной мощности изображалась бы гиперболой
.
В действительности зависит от Ia (рис.4.12) и поэтому кривые постоянной мощности отклоняются от гиперболы. Кривые постоянной частоты определяются электронным смещением частоты.
Рис. 4.12 - Зависимость
Все рабочие характеристики изображают на одном графике, однако обычно кривые постоянной частоты на этом графике не приводят, так как более удобно пользоваться отдельными кривыми электронного смещения частоты.
- Электронное смещение частоты
Электронным смещением частоты называют зависимость частоты генерируемых колебаний от анодного тока. Анодный ток Ia изменяют регулировкой анодного напряжения. Однако зависимость Ia от Ua, изображаемая вольт-амперной характеристикой (см.рис.4.11,а), очень сильная, поэтому режим работы магнетрона устанавливают и контролируют не по величине Ua, а по постоянной составляющей анодного тока. В связи с этим и изменения частоты изображают как функцию Ia (рис.4.13). Крутизна электронного смещения частоты в рабочем режиме SЭсч = df/dIa, МГц/А. Наибольшую SЭсч получают для данного магнетрона при малых анодных токах; она может составлять несколько десятков мегагерц на ампер или больше.
Рис.4.13 - Зависимость
4.2.10 Нагрузочные характеристики магнетронов
Нагрузочными характеристиками генераторов СВЧ принято называть графики зависимости частоты и мощности генерируемых колебаний от полной проводимости или от полного сопротивления нагрузки. Наибольшее распространение нашли нагрузочные характеристики, построенные на плоскости полярной диаграммы Вольперта-Смитта. Нагрузочные характеристики, используемые в практических целях, обычно не рассчитываются, а непосредственно измеряются с помощью рассогласователя, имитирующего работу генератора на меняющуюся нагрузку. Снятие нагрузочных характеристик принято производить при неизменном постоянном токе I0 магнетрона, равном номинальному.
Так как мощность Pвых определяется активной входной проводимостью нагрузки Gн и не зависит от реактивной проводимости Bн, то линии Pвых =const должны совпадать на полярной диаграмме с линиями Gн =const, имеющими форму окружностей с центрами, лежащими на действительной оси.
Частота f генератора определяется реактивной проводимостью нагрузки и не зависит от активной проводимости Gн. Поэтому линии f=const должны совпадать с окружностями Bн =const. В левой полуплоскости диаграммы, где реактивные проводимости являются отрицательными и имеют индуктивный характер, частота генерируемых колебаний несколько превышает частоту, которая генерируется при работе на согласованную нагрузку. В правой полуплоскости (емкостная проводимость нагрузки) частота ниже этой величины и убывает с ростом величины Bн.
Типичная нагрузочная характеристика импульсного магнетрона 3-х сантиметрового диапазона приведена на рис.4.14. Линии постоянной генерируемой мощности близки к окружностям постоянной активной проводимости нагрузки. Линии постоянной частоты имеют веерообразное расположение и близки к линиям постоянной реактивной проводимости на круговой диаграмме полных проводимостей в полярной системе координат.
Рис.4.14 - Нагрузочная характеристика импульсного магнетрона
Изменение частоты генерируемых колебаний при изменении полной проводимости нагрузки при фиксированном режиме питания принято называть затягиванием частоты.
Рабочие и нагрузочные характеристики, которые снимаются экспериментально для магнетронов каждого типа, приводятся в специальных справочниках.
- Особенности работы магнетронного генератора в импульсном режиме
При работе магнетронного генератора в импульсном режиме анодное напряжение на магнетрон подается в виде кратковременных импульсов почти прямоугольной формы (рис.4.15, а), вырабатываемых модулятором. Длительность этих импульсов зависит от назначения передатчиков и бывает порядка 0,1...5 мкс. Как видно из рис.4.15, а, анодное напряжение нарастает от нуля до рабочего значения не мгновенно, а в течении длительности фронта . Спадание анодного напряжения происходит в течении длительности спада (среза) импульса . При этом могут создаваться условия для возбуждения паразитных видов колебаний, даже при наличии связок или разнорезонаторной колебательной системы магнетрона. Колебания, возникшие при напряжении, меньшем амплитуды импульса, называются низковольтными, а при напряжении, большем ее - высоковольтными.
Чтобы затруднить возможность возбуждения паразитных низковольтных колебаний, длительность нарастания и среза импульса должны быть малыми. При этом низковольтные виды колебаний за время длительности фронта и среза не успевают возбудиться до значительной величины. Практически для подавления низковольтных видов колебаний скорость нарастания анодного напряжения должна быть не менее 100-150 кВ/мкс, что установлено экспериментально.
а - форма импульса анодного напряжения;
б – радиоимпульс
Рис. 4.15 - Эпюры импульсов
С другой стороны, фронт нарастания импульсов должен быть не слишком крутым, чтобы успели возбудиться колебания -вида. Экспериментально установлено, что для возбуждения этих колебаний необходимо время, равное примерно 100 периодам колебаний СВЧ. Поэтому для магнетронов 10-см диапазона должна быть больше, чем 0,03 мкс, а 3-см диапазона - больше, чем 0,01 мкс. При этом успевают возбудиться колебания -вида, но не успевают возбудиться низковольтные виды колебаний, которые возбуждаются медленнее.
Для устранения видов колебаний с номером n менее N/2, для возбуждения которых требуется большее анодное напряжение, чем для колебаний -вида, необходимо, чтобы максимальная величина Uа не достигала требуемого значения для возбуждения этих колебаний.
Таким образом, к форме модулирующего импульса предъявляются весьма жесткие требования (к длительности его фронта и среза, определяющим стабильность работы магнетрона на основном виде колебаний).
- Стабилизация и перестройка частоты магнетронных генераторов
Стабильность частоты магнетронного генератора в значительной степени влияет на дальность действия РЛС, ее помехозащищенность, точность измерения скорости цели, а следовательно, и эффективность применения оружия. Поэтому требуется принимать меры для стабилизации частоты.
Стабильность частоты магнетронного генератора, работающего в импульсном режиме, характеризуется медленными изменениями частоты (в интервале между импульсами) и быстрыми во время генерирования импульса. Медленные изменения обусловлены изменениями температуры, вращением антенны и медленным изменением питающих напряжений. Во всех этих случаях частота колебаний в импульсе остается неизменной, а от импульса к импульсу изменяется. Быстрое изменение частоты обусловлено изменениями напряжения Uа в течение импульса и влиянием несогласованной нагрузки. При этом частота колебаний изменяется в течение длительности импульса.
Влияние изменения температуры. Стабильность частоты колебаний зависит от температуры анодного блока. С повышением температуры частота уменьшается из-за увеличения объема резонаторов. Это явление называется дрейфом частоты.
Для 10-см магнетронов дрейф может достигать 0,05 МГц/град, а для 3-см магнетронов - 0,1...0,15 МГц/град. Для поддержания постоянства частоты магнетрона температуру анодного блока нужно сохранить постоянной. Практически это очень трудно выполнить, т.к. магнетрон обдувается воздухом и, следовательно, его температура зависит от температуры охлаждающего воздуха.
- Влияние изменения величины анодного напряжения Uа
Изменение анодного напряжения приводит к электронному смещению частоты (рис.4.13), рассмотренному выше. Для уменьшения нестабильности частоты, вызванной изменением Uа, применяют стабильный источник Uа и выбирают такой режим работы, при котором изменение Uа мало влияет на частоту.
При импульсной модуляции предъявляются жесткие требования к форме модулирующего импульса (рис.4.15), подаваемого на магнетрон: его вершина должна быть плоской, т.е. напряжение в течении импульса должно быть постоянным.
- Влияние рассогласованной нагрузки
Несогласованная нагрузка вносит в колебательную систему магнетрона реактивное сопротивление и влияет на частоту колебаний. Так как вносимое сопротивление непостоянно и в сильной степени зависит от длины линии передачи энергии (волновода) и частоты, то это приводит к уходу (затягиванию) частоты на десятки мегагерц. Поэтому нагрузка должна быть тщательно согласована.
Существуют несколько способов стабилизации частоты. Одним из эффективных способов является применение высокодобротного внешнего стабилизирующего резонатора. Это влечет за собой повышение добротности всей колебательной системы, что обусловливает увеличение стабильности частоты магнетрона в десятки раз. Внешний резонатор может быть расположен снаружи анодного блока и связан с резонаторами анода при помощи щелей, которые сделаны не во всех резонаторах, а через один. Этот внешний резонатор имеет собственную частоту, равную частоте колебаний -вида, и во всех резонаторах магнетрона, связанных с внешним резонатором, получаются колебания с одинаковой фазой, а в соседних резонаторах колебания будут противофазными. Магнетроны такой конструкции называются коаксиальными.
Для наиболее коротких сантиметровых волн удобен обращенный коаксиальный магнетрон, у которого катод и анод переставлены местами. Катод выполнен в виде наружного цилиндра, и с его внутренней поверхности эмитируются электроны. Анод с резонаторами расположен внутри катода, а внутри анода находится высокодобротный объемный резонатор, служащий для стабилизации колебаний. Он связан щелями с резонаторами анодного блока.
В перестраиваемых по частоте (диапазонных) магнетронах применяются следующие способы механической перестройки частоты:
- изменением индуктивности или емкости резонаторов магнетрона;
- изменением емкости связок;
- перестройкой внешнего резонатора;
- комбинацией из указанных выше способов.
Изменение индуктивности резонаторов, например, можно осуществить путем введения проводящих стержней в цилиндрическую часть каждого резонатора. Стержни укреплены на металлическом кольце, связанном с гибкой диафрагмой. Такой метод перестройки позволяет изменять частоту на 10...15%.
Электронная перестройка частоты магнетрона основана на том, что эта частота зависит от анодного тока. Изменение анодного тока на 1А может дать изменение частоты до нескольких десятков мегагерц. Но в обычных магнетронах такая электронная перестройка не получила широкого применения.
Однако существует особый тип магнетронов (митроны), в которых изменением анодного напряжения и соответственно анодного тока можно получить даже двукратное изменение частоты. Конструкция их несколько отличается от конструкции обычных магнетронов; они также имеют внешний резонатор с низкой добротностью. В непрерывном режиме работы при изменении частоты в два раза эти магнетроны дают выходную мощность в единицы ватт. А при меньших изменениях частоты (до 20%) они могут давать мощность в десятки ватт.
- Некоторые особенности эксплуатации магнетронных генераторов
Срок службы магнетрона, как и любого электровакуумного прибора, зависит от режима его работы и соблюдения эксплуатационных правил.
Как показывает опыт, при эксплуатации магнетронов требуется выполнять следующие рекомендации:
1. При длительном хранении или перерыве в работе у магнетрона несколько ухудшается вакуум за счет выделения внутренними металлическими деталями прибора поглощенных ими остатков газов. Если подать на магнетрон полное анодное напряжение, то в результате ионизации выделившегося газа возникает ионный ток, который, попадая на катод, разрушает его активное покрытие. При большой степени ионизации внутри магнетрона может возникнуть газовый разряд (пробой или искрение), приводящий к отказу магнетрона. Поэтому после установки нового магнетрона в аппаратуру необходимо проверить его вакуум. Признаком пониженного вакуума в магнетроне является характерное голубоватое свечение, которое у некоторых магнетронов можно наблюдать через выводы накала. Анодный ток магнетрона с пониженным вакуумом превышает номинальное значение при напряжении, значительно меньшем номинального. Помимо ухудшения вакуума, связанного с выделением газов, происходит поверхностное отравление катода, что в свою очередь может привести к ухудшению его эмиссионных свойств и уменьшению срока службы.
Оба указанных явления не опасны, если до включения магнетрона в паспортный или номинальный режим он был подвергнут тренировке. Физический смысл тренировки заключается в следующем. При постепенном повышении анодного напряжения не создается разряда и большой ионизации газов. В то же время за счет разогрева магнетрона происходит поглощение газа внутренними деталями магнетрона, и в первую очередь корпуса магнетрона (магнетрон «жестится»). Давление в магнетроне постепенно понижается. При малых анодных токах происходит активирование катода и восстановление его эмиссионных свойств, так как под влиянием высокой температуры катода барий восстанавливается из окиси бария, а ионы кислорода притягиваются анодом и поглощаются им.
Тренировка магнетрона производится следующим образом.
Включают пониженное анодное напряжение и наблюдают в течение значительного промежутка времени ( 30 мин) за работой магнетрона. Если при этом искрение отсутствует (что может быть обнаружено по колебаниям стрелки прибора, включенного в анодную цепь), анодное напряжение увеличивают до некоторого значения (меньше рабочего) и продолжают наблюдать за анодным током. При отсутствии искрения анодное напряжение повышают до рабочего (номинального) значения. После работы под номинальным напряжением в течение 10-15 мин магнетрон считается годным к эксплуатации.
Следует заметить, что весь процесс тренировки необходимо проводить при постоянном магнитном поле, номинальном напряжении накала и согласованной нагрузке.
2. Устанавливая магнетрон в передатчик, необходимо соблюдать осторожность при соединении вывода энергии магнетрона с передающей линией. Особенно опасны в этом отношении возможные перекосы и натяжения в центральном проводнике коаксиального вывода энергии, вследствие которых может дать трещину слой между центральным проводником вывода энергии и стеклом. В магнетронах с волноводным выводом энергии выходные соединения должны быть хорошо пригнаны друг к другу, так как при отсутствии хорошего контакта между фланцем магнетрона и началом передающей линии возможны изменения режимов работы и высокочастотный пробой магнетрона.
3. Необходимо исключить протекание анодного тока через подогреватель магнетрона, так как нестационарные процессы при прохождении импульсов тока большой силы могут вызвать его повреждение. Поэтому следует обращать внимание на правильное подключение высокого напряжения к катоду. На рис.4.16 показано правильное подключение высокого напряжения Uа.
Рис.4.16 - Схема запитки магнетрона
4. Перед включением напряжений необходимо проверить надежность заземления анодного блока и внешней оболочки фидера и волновода. «Высокое» напряжение можно подавать на магнетрон, только убедившись, что нагрузка подключена и магнитное поле создано. Без нагрузки возможен высокочастотный пробой магнетрона за счет возникновения отраженной волны и увеличения напряженности электрического поля выше допустимой.
Отсутствие магнитного поля ведет к резкому увеличению анодного тока, перегрузке и выходу из строя анодного блока. Порядок включения магнетрона следующий: сначала включают систему охлаждения, затем источник питания подогревателя, потом анодное напряжение. В мощных магнетронах после пуска напряжение накала снижают. Дополнительный нагрев катода происходит в результате его электронной бомбардировки за счет энергии поля СВЧ. Выключение магнетрона происходит в обратной последовательности.
5. Во избежание механического разрушения подогревателя при включении накала мощных магнетронов необходимо напряжение на него подавать постепенно, доводя его до нормального, так как сопротивление холодного подогревателя в десятки раз меньше, чем горячего. После установки рабочего режима магнетрона напряжение накала для устранения перегрузки катода (создаваемой за счет бомбардировки возвращающимися электронами) несколько снижается.
6. При проверке режимов работы магнетронного генератора особое внимание уделяется контролю:
- выходной (импульсной) мощности;
- частоты генерируемых колебаний и ее стабильности;
- формы, длительности импульса и его частотного спектра.
Падение выходной мощности на 20% при номинальных значениях Uа и B - признак окончания службы магнетрона.
Контроль указанных величин дает полное представление о работе магнетронного генератора и позволяет выявить те или иные неисправности, возникающие в процессе эксплуатации.
Некоторые данные для различных типов магнетронов приведены в табл.4.1.
Таблица 4.1 - Магнетроны
┌─────────┬─────────┬──────┬─────────┬──────────┬──────┬──────┬───┐
│ Тип │ Рабочий │Напря-│ Ток │ Напряже- │ Ток │Выход-│КПД│
│ прибора │ диапазон│жение │ накала,│ ние │анода,│ ная │ │
│ │ частот, │накала│ │ анода, │ │мощн. │ │
│ │ МГц │ В │ А │ кВ │ А │ кВт │ % │
├─────────┼─────────┼──────┼─────────┼──────────┼──────┼──────┼───┤
│М62 │2425-2375│ 6,3 │ 1-1,3 │ 1,85-2,3 │ 0,15 │0,15 │ 40│
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│МИ-84Т │9340-9280│10,0 │ 4,3-5,0 │ 22-26 │ 28 │ 250 │ 37│
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│МИ-88М │37150- │ 6,3 │ 2,2-3,5 │ 12-15 │0,008 │ 28 │ 20│
│ │ 36450 │ │ │ │ │ │ │
│МИ-110 │ 575-565 │ 6,3 │ 2,0-2,4 │ 27 │ 15 │ 200 │ 40│
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│МИ-120ВВС│2830-2470│ 6,3 │ 1,3-1,6 │ 4,5-6,0 │0,0038│5,4-10│ - │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│МИ-137 │1800-1765│12,6 │1,86-2,24│22,5-25,2 │0,025 │ 250 │ - │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│МИ-158-1 │9420-9330│ 6,3 │ 1,2-1,9 │ 5,0-6,0 │0,002 │ 7,0 │ - │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│МИ-501 │9460-9400│ 6,3 │ 1,1-1,5 │ 5,5-6,5 │ 10 │ 0,015│ - │
└─────────┴─────────┴──────┴─────────┴──────────┴──────┴──────┴───┘
Магнетроны используются в мощных передающих устройствах, например, в передатчиках радиолокационных станций, а также в ускорителях заряженных частиц и установках высокочастотного нагрева.
2. Тема 12. Финансовая система и финансовая политика Введение Одним из направлений государственного воз.html
3. Тема 9 Адаптація персоналу План заняття- Поняття і види адаптації персоналу
4. На тему- Концепция стратегического менеджмента Выполнил- студент 3 курса Дневной формы о
5. тематизатор схоластики автор томизма одного из господствующих направлений католической Церкви
6. Б класса Руководитель- Яшина Е
7. за воздействия на них представителей животного мира получившие название вредителей хлебных запасов
8. Реферат Подготовка скважины к проведению геофизических исследований
9. Мы пешеходы мы пассажиры Соблюдение правил дорожного движения как пешеходами так и пассажирами являе
10. 1000 старт Ф
11. Статья раскрывает некоторые недостатки в сфере законодательного регулирования недвижимого имущества в РФ
12. Основні рекомендації МСЕ-Т по основним аспектам SDH- характеристика
13. тематике Рынок ценных бумаг и биржевое дело
14. В базе данных в той же где вы работали создайте таблицу Клиенты таблица 3 в режиме конструктора- Таблиц
15. то уже язык не поворачивается назвать
16. 2012 год Основными направлениями проекта продекларированы[13]- развитие массового жилищного строительства;
17. Юридический фак
18. Багамские острова
19. Детский ясли-сад на 140 мест с бассейном
20. САНКТПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ИМ