книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот

ГЛАВА 3

ИМПУЛЬСНЫЕ МАГНЕТРОНЫ И ДРУГИЕ МОЩНЫЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ И УСИЛИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ

Магнетрон как электронный прибор СВЧ, в котором взаимодействие электронов с электромагнитным полем происходит в перекрещивающихся постоянных электри­ ческом и магнитном полях, известен более 35 лет. Удач­ ное сочетание электроники с колебательной системой позволило магнетрону стать одним из наиболее эффек­ тивных импульсных генераторов для применения в диа­ пазоне сантиметровых и миллиметровых золн. Особенно это относится к миогорезонаторным магнетронам, основ­ ные элементы современной конструкции которых были предложены М. А. Бонч-Бруевичем, Н. Ф. Алексеевым, Е. Д. Маляровым, В. П. Илясовым и рассмотрены в ра­ ботах [1—7]. Значительный вклад в теорию и практику магнетрона, применительно к задачам электроники боль­ ших мощностей, внесен П. Л. Капицей [33] и А. П. Федо­ сеевым.

Конструктивно магнетрон является несложным элек­ тронным прибором, представляя собой своеобразный вакуумный диод в магнитном поле, и имеет всего четыре

ством для отвода тепла /;

—катод с выводом высокого напряжения 2\

—вывод ВЧ энергии 3;

—магнитную систему 4.

Однако -при их изготовлении требуется высокая ме-. ханическая точность и технологическая культура, свой­ ственная производству всех электровакуумных приборов.

применений стабильность частоты, возможность получе­ ния очень больших уровней мощности в импульсном ре­ жиме работы, высокую эффективность на весьма корот­ ких длинах волн, вплоть до миллиметровых. Важным достоинством магнетронов по сравнению, например, с триодами СВЧ является то, что они сочетают в себе электронную лампу и колебательный контур, разработ­ кой и изготовлением которых не занимается конструк­ тор аппаратуры, а в процессе эксплуатации их не тре­ буется регулировка.

Наряду с этим импульсные магнетроны имеют ряд недостатков: узкую область устойчивой работы при из­ менении питающих напряжений и Сопротивления ВЧ на­ грузки, критичность к форме импульса модулирующего

в процессе разработки и эксплуатации аппаратуры.

Импульсные многорезоиаториые магнетроны в основ­ ном являются узкодиапазонпыми приборами :и пракгически не допускают электронной перестройки частоты. За -последние годы созданы низковольтные магнетроны непрерывного генерирования с широким диапазоном электронной перестройки частоты и мощные широкопо­ лосные усилительные приборы магнетронного типа для импульсного и непрерывного режимов работы, получив­ шие название амплитронов.

Для решения задач резкого повышения стабильности частоты при достаточной широкополосности получили распространение мощные усилительные многорезонаторные клистроны и ЛБВ. Применение подобных приборов привело к построению передающих устройств по каскад­ ному принципу, увеличению их веса и габаритов й неиз­ бежному усложнению аппаратуры в целом.

В настоящей главе основное внимание будет уделено импульсным магнетронам, продолжающим оставаться с самого начала развития радиолокации наиболее рас­ пространенными автогенераторами для передающих устройств сантиметрового диапазона волн.

Благодаря своим достоинствам магнетроны привле­ кают к себе большое количество исследователей, зани­ мающихся изучением их свойств и построением теорииСледует заметить, что физические явления в магнетро­ нах достаточно сложны и далеко еще не изучены, инже-

95

нерному расчету поддаются лишь отдельные элементы и узлы магнетрона (например, резонаторная система, вы­ вод ВЧ энергии, магниты).

В целом электронные процессы, происходящие в маг­ нетронах, и расчет динамических характеристик сугубо ориентировочны. Практические конструкции магнетро­ нов создаются полуэмпирическим путем.

3.1. ПАРАМЕТРЫ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСНЫХ МАГНЕТРОНОВ. НЕОБХОДИМЫЕ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ПРИ ИХ ПРИМЕНЕНИИ

Электрические и эксплуатационные свойства магне­ тронов, как и любого электровакуумного прибора, до­ статочно подробно оцениваются совокупностью парамет­ ров и характеристик, которые составляют основные тех­ нические данные приборов, учитываемые при проекти­ ровании приборов, контролируемые в процессе произ­ водства и являющиеся отправными при применении магнетронов в аппаратуре.

Для определения возможности использования маг­ нетрона конструктор должен рассматривать соответст­ вие параметров и характеристик магнетрона требова­ ниям, предъявляемым к аппаратуре.

Под параметрами магнетрона будем понимать такие их показатели, которые сохраняют определенные значе­ ния в строго заданных режимах и условиях работы.

К числу обязательных электрических параметров импульсных магнетронов, учитываемых при использова­ нии магнетрона в аппаратуре, относятся:

—выходная мощность в импульсе;

—длительность и частота следования импульсов;

—диапазон частот генерируемых колебаний;

—скорость перестройки частоты (для перестраивае­ мых магнетронов);

—затягивание частоты;

—электронное смещение частоты;

—температурный коэффициент частоты;

—анодное напряжение;

—коэффиционт полезного действия.

Длямагнетронов, предназначенных к использова­ нию в аппаратуре с селекцией движущихся целей (СДЦ) или имеющих кодовый режим работы, необходимо учи­ тывать дополнительные параметры:

96

—разброс частоты от импульса к импульсу;

—разброс времени («дрожание») фронта импульса;

—динамическое сопротивление;

—число импульсов в пакете кода;

—(частоту повторения импульсов в пакете;

— общую длительность импульсов в пакете.

Режим работы импульсных магнетронов, при кото­ ром определяются параметры, характеризуется:

—напряжением и током накала;

—анодным током;

—крутизна фронта, скосом плоской части, выброса­

ми на плоской части и спадом импульса напряжения;

—сопротивлением ВЧ нагрузки (КСВ и фазой от­ раженной волны);

—температурой анодного блока или окружающей

среды;

—давлением окружающей среды.

Важным критерием оценки работоспособности магне­ тронов является ширина и форма спектра генерируемых колебаний.

Наиболее полно свойства магнетронов описываются следующими характеристиками:

—рабочей;

—«нагрузочной;

—накальной;

—вибрационной.

Под рабочей характеристикой магнетрона понимает­ ся семейство кривых зависимости анодного напряжения Ua от тока / а при постоянных значениях напряженности магнитного поля Н, выходной мощности Р, коэффициен­ та полезного действия ц и частоты f, снятых при рабо­ те ■магнетрона «а согласованную ВЧ нагрузку (КСВ < 1,1). .Рабочие характеристики импульсных магнетронов имеют вид, приведенный на рис. 3.2.

Данная характеристика имеет четыре ярко выражен­ ные области:

—область устойчивой работы /;

—область отсутствия генерации //;

—область неустойчивой работы ///;

—область искрений IV.

Отсюда видно, что в эксплуатационных условиях стабильность, а следовательно, и надежность магне­ тронного генератора будут высокими, если его рабочая

Рис. 3.3. Зависимость частоты и крутизны электронного смещения частоты от измене­ ния анодного тока для различных магне­ тронов (заштрихованная область характе­ ризует рекомендуемые для эксплуатации

пределы изменения анодного тока).

даже несколько более 1,5), если магнетрон не попадает в область неустойчивой работы, уход частоты может быть приближенно определен расчетным путем по фор­ муле

значениях КСВ и фазы отраженной волны в передаю­ щей линии может наблюдаться неустойчивая работа. Все это указывает на то, что наиболее благоприятная рабо­ та магнетрона может .быть обеспечена при работе на согласованную ВЧ нагрузку.

Если магнетрон и нагрузка соединены длинной ли­ нией, размеры которой намного превышают длину вол­ ны в линии ( £ > Яп), то может иметь место так назы­ ваемый эффект длинной линии, выражающийся в скач­ ках частоты, неоднозначности настройки частоты, рез­ ких искажениях спектра генерируемых колебаний и да­ же полных срывах работы магнетрона. Этот эффект особенно проявляется у магнетронов с перестройкой частоты. На рис. 3.6 приведены зависимости изменения частоты от изменения положения механизма перестрой­ ки магнетрона для различных значений КСВ нагрузки, расположенной от магнетрона на удалении, при котором сказывается эффект длинной линии.

На рис. 3.6,а и б приведены случаи, когда рассогла­ сования линии незначительны и размеры длины линии не приводят к неустойчивой работе магнетрона. На рис. 3.6,в представлен случай недопустимого влияния эффекта длинной линии на работу магнетрона. Здесь имеют место разрывы и скачки частоты в диапазоне пе­ рестройки при некотором положении механизма пере­ стройки си и ia2. Так, из точки А наблюдается скачок ча­ стоты в точку В, а при последующем возвращении ме­ ханизма настройки из положения <ц в а2 происходит ска* чок из С в точку D. Следует заметить, что удаление то­ чек А и С по частоте возрастает по мере увеличения как КСВ, так и длины линии.

1Q1