книги / Радиопередающие устройства

Клистроны применяют в качестве генераторов и усилителей как в мощных, так и в маломощных каскадах радиоэлектронной аппаратуры ГА сантиметрового диапазона волн. Так, оконечным каскадом передатчика РЛС «Скала-М» является усилитель мощ­ ности, выполненный на пролетном клистроне. Отражательные клистроны используются в качестве гетеродинов в приемниках.

4.9. МАГНЕТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Особенности. В самолетных радиолокационных станциях приме­ няют специальные электровакуумные приборы, называемые маг­ нетронами.

Магнетроном называется электровакуумный прибор, в котором управление электронным потоком осуществляется при помощи двух постоянных полей: электрического и магнитного. Конструк­ тивно магнетрон состоит из анодно-резонаторного блока и катода. Анодно-резонаторный блок называется так потому, что он выпол­ няет функции анода, а конструктивно представляет собой сово­ купность нескольких объемных резонаторов. Изготовляется он из высокоочищенной электролитической меди. В небольшом брусоч­

стий 3 меньшего диаметра. Они соединены с центральным отвер­ стием прорезями — щелями 4. Вдоль оси центрального отверстия помещается цилиндрический катод 5. С торцов внутренняя часть магнетрона закрывается боковыми крышками, которые припаива­ ются к кольцевым выступам на торцах анодного блока. От сег­ ментов 6 анодного блока боковые крышки отстают на некоторое расстояние. Пространство между анодным блоком и катодом на­ зывается пространством взаимодействия, так как здесь происхо­ дит обмен энергией между электронным потоком и полем СВЧ. На анодном блоке укреплены радиаторы, улучшающие его ох­ лаждение.

Каждое расположенное радиально отверстие можно рассмат­ ривать как одиночный виток индуктивной катушки, образованный проводником ленточной формы, как показано на рис. 4.20. Боко­ вые поверхности щели можно рассматривать как обкладки плос­ кого конденсатора.

Катод в магнетроне подогревной, оксидной, цилиндрической формы. Эмиттирующий слой изготовляется из соединений бария, кальция, стронция с добавлением тория. Он обладает большой механической прочностью, высокой электро- и теплопроводностью и большой удельной эмиссией. В непрерывном режиме он должен обеспечивать плотность тока эмиссии порядка 0,5 А/см2, а в им­ пульсном— до 300 А/см2. С торцов катод закрывается концевы­ ми экранами, препятствующими утечке электронов из пространст­ ва взаимодействия.

В цепях накала включены высокочастотные дроссели, не до­ пускающие проникновения энергии СВЧ в цепи накала. Они вы-

полнены в виде коаксиальных четвертьволновых короткозамкну­ тых линий.

Вывод энергии от магнетрона производится с помощью витка связи одного из резонаторов. Виток связи соединяется с цент­ ральным проводником герметизированного коаксиального разъе­ ма. При использовании прямоугольных или круглых волноводов применяют штыревую или щелевую связь выходного резонатора с волноводом.

Резонаторы анодного блока связаны между собой через элект­ рические и магнитные поля и образуют единую колебательную систему, которую можно представить эквивалентной схемой, при­ веденной на рис. 4.21. Здесь резонаторы изображены в виде кон­ туров с сосредоточенными параметрами и указана электрическая и магнитная связь между контурами.

Анодная система магнетрона заземляется, а на катод пода­ ется высокое отрицательное напряжение. В результате между ка­ тодом и анодом создается постоянное электрическое поле, направ­ ленное радиально от анода к катоду.

Весь магнетрон помещается между полюсами постоянного магнита, создающего в пространстве взаимодействия постоянное магнитное поле, направленное вдоль оси магнетрона.

представить в виде одиночного колебательного контура с сосре­ доточенными параметрами L и С. Электрическая связь осуществ­ ляется через электрические поля резонаторов, существующие в пространстве взаимодействия. На эквивалентной схеме, приведен­ ной на рис. 4.21, емкостная связь изображена емкостью Ск, обра­ зованной каждым сегментом анода и катодом. Магнитная связь осуществляется тем, что магнитный поток одного резонатора за­ мыкается через торцы анодного блока и полости соседних резона­

торов. Кроме того, резонаторы связаны кондуктивно сегментами анодного блока. Поэтому такая сложная колебательная система магнетрона обладает многими частотами свободных колебании, число которых зависит от числа резонаторов. Из-за слабой свя­ зи между резонаторами собственные частоты оказываются рас­ положенными близко по оси частот. Это является недостатком магнетрона, так как при изменении Е а или В частота магнетрона может измениться. Происходит перескок из одной частоты на со­ седнюю, близко расположенную.

Чтобы магнетрон работал на одной частоте, нужно разнести частоты по шкале частот подальше одна от другой. Для этого усиливают связь между отдельными резонаторами при помощи системы связок. Связки выполняются из проводников, соединяю­ щих торцы резонаторов через один.

В общем случае колебательная система из N связанных резо­

соответствует свой вид колебаний с характерным для него рас­ пределением поля СВЧ, т. е. фазовыми сдвигами между токами (или напряжениями) в соседних резонаторах. Суммарный сдвиг токов во всех резонаторах должен быть равен целому числу 2л. Следовательно, сдвиг фаз колебаний в двух соседних резонаторах определяется выражением ф= 2ял/JV, где п — целое число, пока­ зывающее, сколько волн поля укладывается по окружности анод­ ного блока. Этим числом принято характеризовать вид колеба­ ний.

В современных магнетронах основным видом колебаний явля­ ются колебания вида л, характеризующиеся противофазностыо колебаний в соседних резонаторах и поэтому называемые проти­ вофазными. Колебание этого вида — наиболее устойчиво.

Принцип действия. В магнетроне осуществляется процесс пре­ образования энергии постоянного тока источника питания в энер­ гию тока СВЧ. Для этого поток вылетающих из катода электро­ нов формируется в сгустки, которые и осуществляют передачу энергии в анодную колебательную систему.

Процесс передачи энергии от источника питания в колебатель­ ную систему в магнетроне происходит следующим образом. Для удобства рассмотрения работы магнетрона сначала представим систему его электродов развернутыми, вытянутыми по прямой. Для этого мысленно разрежем анод и катод по радиусу от цент­ ра катода и развернем кольцо анода и поверхность катода по прямой, как показано на рис. 4.22. Рассмотрим работу магнетро­ на по этапам.

1. Допустим, что катод накален и эмиттирует электроны. К аноду относительно катода приложено высокое постоянное напря­ жение £ а. В пространстве взаимодействия между катодом и ано­ дом имеется электрическое поле, направленное от анода к като­ ду, как показано стрелкой Е на рис. 4.22. В этом случае выле-

Рис. 4.22. Изображение анодного блока магнетрона в развернутом виде

тевшие из катода электроны под действием ускоряющего для них электрического поля летят к аноду, достигают его и, ударяясь о него, отдают ему свою энергию, разогревая его. В цепи анода протекает постоянный анодный ток / ао.

2. Поместим магнетрон в постоянное магнитное поле. Магнит* ные силовые линии поля направлены вдоль оси прибора. Крести­ ком в кружочке на рис. 4.22 показан хвост стрелки, изображаю­ щий магнитную силовую линию, уходящую от нас и направлен* ную перпендикулярно плоскости чертежа.

Допустим, что высокочастотное поле в резонаторах отсутству­ ет. В этом случае на вылетевшие из катода электроны действуют две силы. Сила электрического поля Е, сообщающая электронам энергию и направляющая их к аноду, и сила магнитного поля.

Двигаясь к аноду, электрон пересекает силовые линии маг­ нитного поля В, которое изменяет только траекторию движения электронов, не изменяя их энергии. Так как электрическое и магнитное поля постоянны, однородны и перпендикулярны друг другу, под действием их сил электрон движется по циклоиде, как показано на рис. 4.22. Допустим, что электрон покидает катод с нулевой скоростью. В сторону анода он движется с нарастающей скоростью. Магнитное поле, создающее силу, направленную пер­ пендикулярно к направлению движения электрона и пропорцио­ нальную его скорости, по мере нарастания скорости все больше заворачивает его в продольном направлении. На вершине циклои­ ды скорость электрона наибольшая. Магнитное поле здесь дейст­ вует с наибольшей силой и заворачивает электрон в сторону ка­ тода.

Направляясь в сторону катода, электрон движется в тормозя­ щем электрическом поле и возвращает ему энергию, полученную при движении к аноду. К поверхности катода электрон подойдет с нулевой скоростью. В дальнейшем процесс повторяется и элект­ рон описывает новые циклоиды.

3. В объемных резонаторах магнетрона всегда имеются флуктуационные электромагнитные колебания. Допустим, что в какойто момент времени электрические силовые линии колебаний СВЧ направлены, как показано на рис. 4.22. Знаками « + » и «—» по­ казаны заряды на обкладках «конденсатора» объемного резона­ тора. В этом случае на электрон действуют три силы: 1) электри­

ческого поля Е а, 2) постоянного магнитного поля В и 3) элект­ рического поля колебаний СВЧ резонатора.

Рассмотрим движение двух электронов: рабочего и нерабочего. Электрон 1, вылетевший из катода под положительным сегментом анодного блока, под действием сил постоянного электрического и магнитного полей начинает двигаться по циклоиде. Проходя мимо щели первого резонатора, он попадает в тормозящее электриче­ ское поле СВЧ колебаний резонатора и отдает ему часть своей кинетической энергии, усиливая колебания в резонаторе. Так в магнетроне осуществляется процесс преобразования энергии ис­ точника постоянного тока в энергию колебаний сверхвысокой час­ тоты. Электроны, которые тормозятся переменным полем СВЧ и отдают ему свою кинетическую энергию, полученную от постоян­ ного поля, называются рабочими. Нерабочими называют те элект­ роны, которые ускоряются переменным полем СВЧ и отбирают от него энергию.

Приторможенный полем СВЧ рабочий электрон движется дальше по циклоиде с уменьшенной скоростью, так как кинетиче­ ская энергия его уменьшилась. В конце циклоиды кинетическая энергия электрона уменьшается до нуля. Он останавливается. По­ тенциальная энергия его уменьшилась. Следовательно, энергия, которую электрон передал полю СВЧ, определяется разностью по­ тенциалов Ей В точке А на рис. 4.22 скорость электрона равна ну­ лю. На неподвижный электрон магнитное поле не действует. Но постоянное электрическое поле снова сообщает ему скорость и энергию, устремляя его к аноду. Как только электрон начал дви­ жение к аноду, магнитное поле снова закручивает его, поворачи­ вая в направлении к катоду по циклоиде. При этом электрон будет проходить уже мимо щели второго резонатора. Но за время перемещения электрона от одной цели к другой полярность за­ рядов на щели второго резонатора изменилась на противополож­ ную. И электрон снова попадает в тормозящее поле СВЧ, снова отдавая ему свою энергию. Так процесс будет повторяться. С каждой следующей циклоидой этот электрон приближается к ано­ ду, передавая энергию каждому резонатору. Такой электрон яв­ ляется рабочим.

Пройдя несколько циклоид, рабочий электрон ударяется об анод, отдавая ему остаток своей энергии в виде тепла. Количест­ во энергии, которую электрон отдает аноду, определяется раз­ ностью потенциалов Е а—Е 3.

Рассмотрим теперь движение другого электрона (2), который вылетел из катода в тот момент времени, что и рабочий электрон 1, но под отрицательным сегментом анода. Он попадает в уско­ ряющее поле СВЧ и ускоряется им. Поскольку скорость его уве­ личилась, магнитное поле закручивает его сильнее, и он, совер­ шив одну циклоиду, ударяется о катод, отдавая ему энергию, ото­ бранную от поля СВЧ, и этим разогревая его. Такой электрон является нерабочим. Сравнивая движения рабочего и нерабочего электронов, видно, что рабочий электрон, делая несколько цикло­

ид, переносит энергию полю СВЧ большую, чем отбирает ее не­ рабочий, так как последний успевает сделать лишь часть первой циклоиды. Поэтому многорезонаторный магнетрон работает с вы­ соким КПД, достигающим 75... 85% в дециметровом и 15... 25% в миллиметровом диапазонах.

Возвращающиеся на катод электроны дополнительно разогре­ вают его и выбивают из него вторичные электроны. За счет этой, так называемой обратной бомбардировки на катоде рассеивается до 15% мощности, отбираемой от источника питания. Это может вызвать значительный нагрев катода. Чтобы не допустить пере­ грева катода, после возбуждения магнетрона необходимо сни­ жать или совсем отключать напряжение накала.

Процесс преобразования электронных сгустков. В реальном маг­ нетроне с цилиндрическими поверхностями электродов электрон движется по эпициклоиде, как показано на рис. 4.23. Для рас­ смотрения процесса формирования сгустков электронов, так назы­ ваемых «спиц», удобным оказывается представить электрическое поле СВЧ в виде двух составляющих: раздельной и тангенциаль­ ной. Радиальная составляющая Ег направлена по радиусу, совпа­ дает с направлением постоянного поля анода или противополож­ на ему (рис. 4.23), имеет максимальное значение в плоскости середины сегментов и равна нулю в плоскости, проходящей через середину щели. Тангенциальная составляющая E t направлена по касательной к окружности, параллельной аноду. Она максималь­ на в плоскости середины щели.

Тангенциальная составляющая оказывает тормозящее действие на электроны, движущиеся по окружности, параллельной катоду, и этим обеспечивает перенос энергии электронами от постоянного поля к полю СВЧ.

Радиальная составляющая поля СВЧ способствует группиро­ ванию электронов в сгустках. Это происходит следующим обра­

При постоянном сопротивлении нагрузки режим магнетрона можно определить по известным двум величинам из трех: магнит» ной индукции, анодному напряжению и току. А при постоянной магнитной индукции В зависимость анодного напряжения Е л от анодного тока / ао получается близкой к линейной. Эти характе­ ристики показаны на рис. 4.24,6. Они подобны характеристикам обычных ламп. Малый наклон характеристик показывает, что не­ большие изменения анодного напряжения вызывают значительные изменения входного тока. Поэтому контролировать режим работы магнетрона удобнее не по напряжению, а по току анода.

Рабочие характеристики магнетрона значительно упрощаются в тех магнетронах, в которых магнитная система входит в магне­ трон и значения магнитной индукции В постоянны (пакетные кон­ струкции). Они показаны на рис. 4.24,в.

Нагрузочные характеристики магнетрона изображают зависи­ мость мощности в нагрузке Р-нагр и частоты от полного сопротив­ ления внешней нагрузочной цепи. Обычно они строятся в поляр­ ной системе координат, как показано на рис. 4.25.

В передатчиках резонатор магнетрона связывается с антенной длинной линией — волноводной или концентрической. Следова­ тельно, нагрузка на резонатор зависит от характера нагрузки, включенной в конце линии, а также от длины линии и ее харак­ теристики. Поэтому нагрузочные характеристики отражают зави­ симость выходной мощности и частоты магнетрона от модуля ко­ эффициента отражения и его фазы.

Условия самовозбуждения магнетрона определяются условиями обеспечения синхронности вращения электронных спиц с фазовой скоростью бегущей волны в пространстве взаимодействия. Эти

г?о*

условия выполняются подбором анодного напряжения Е я и магнитной индукции В и определяются выражением

Е а/В = 2 п г Ср1пТ,

где гСр — средний радиус пространства взаимодействия; п — число длин волн основной гармоники, укладывающихся на внутренней поверхности анода.

При этом значение магнитной индукции В должно быть боль­ ше критического, т. е. В > В кр, где Вкр — то значение индукции, при котором электроны вращаются вокруг катода.

Повышение стабильности генерируемой магнетроном частоты достигается двумя методами: методом связок и методом разнорезонаторного блока. О методе связок было сказано выше. Ме­ тод разнорезонаторного блока состоит в том, что резонаторы анодного блока выполняются разных размеров. Этим достигается хорошее отделение колебания вида я от других.

Перестройка частоты магнетрона. Перестройка осуществляется способами: механическим и электронным. Механический способ заключается в том, что изменяется объем резонаторов, напри­ мер, введением плунжеров в полости резонаторов. Электронную перестройку частоты можно осуществить изменением анодного напряжения. Однако при этом способе резко уменьшается гене­ рируемая мощность. Поэтому в обычных магнетронах электрон­ ная перестройка частоты не применяется. Но специальная кон­ струкция электродов позволяет осуществлять электронную пере­ стройку частоты в широких пределах с сохранением пропорцио­ нальной зависимости между анодным напряжением и генерируе­ мой частотой. Такие приборы называются митронами.

4.10. МИТРОНЫ

Митроном называют электронный прибор магнетронного типа, от­ личающийся от многорезонаторного магнетрона конструкцией электродов. В анодном блоке митрона имеется только один внеш­ ний резонатор. Для обеспечения в нем необходимого числа щелей с напряжениями, сдвинутыми по фазе на я, применяют встречно­ штыревую замедляющую систему, замкнутую в кольцо (рис. 4.26). В ней четные и нечетные штыри подсоединяются к противопо­ ложным кольцам резонатора. Для ограничения анодного тока эмиттирующий электроны катод вынесен из пространства взаимо­ действия. А для сохранения радиального электрического поля на месте катода помещается цилиндрический холодный катод. Из­ менение анодного напряжения в митроне слабо влияет на анод­ ный ток и генерируемую мощность, но сильно изменяет частоту генерации. Физические процессы в митроне подобны тем, которые

Рис. 4.27. Схематическое уст­ ройство платинотрона

дуляцию. При этом модулирующая частота может быть очень вы­ сокой, достигая частоты генерации.

Значение генерируемой мощности можно регулировать измене­ нием анодного тока путем изменения напряжения на модулирую­ щем электроде. Этим же методом можно осуществить и ампли­ тудную модуляцию.

Современные митроны обычно работают в непрерывном режи­

0,6.

Если в процессе перестройки частоты или частотной модуля­ ции мощность изменяется, то применяют довольно простые схемы автоматической регулировки выходной мощности изменением на­ пряжения на управляющем электроде.

4.11. ПЛАТИНОТРОНЫ

Платинотрон отличается от магнетрона тем, что его замедляю­ щая система, состоящая из ряда связанных резонаторов, не замк­ нута, а разрезана и имеет отдельные вход и выход. Схематиче­ ское устройство платинотрона показано на рис. 4.27. У магнетро­ на же резонаторы образуют замкнутую цепь и внешняя цепь свя­ зана с одним из этих резонаторов.

Принцип действия платинотрона аналогичен принципу дейст­ вия магнетрона. Различие состоит только в том, что направление вращения электронных спиц в платинотроне противоположно на­ правлению распространения энергии в замедляющей системе.

Платинотрон может работать в режиме усиления и в режиме самовозбуждения. В первом случае он называется амплитроном, а во втором — стабилотроном.