книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот

нам с фиксированной настройкой частоты, остальные —: с механической перестройкой частоты [35].

На приведенном графике рис. 3.10 кривые / и // от­ носятся к предельным уровням мощности для магнетро­ нов с фиксированной 1настройкой и механически пере­ страиваемым по частоте соответственно. Заштрихованная область характеризует уровни мощности практических конструкций магнетронов. Интересно отметить, что ее нижняя граница приблизительно совпадает с границей предельных уровней мощности для генераторов СВЧ на триодах.

Пунктирная кривая III и сплошные вертикальные отрезки относятся к усредненным и предельным значе­ ниям к. п. д.

Имеются уникальные образцы магнетронов, которые обладают более высокими показателями по сравнению с представленными по уровню мощности, частотному пределу и коэффициенту полезного действия, но они не являются типичными или конструкции этих магнетронов не вышли из стадии лабораторных исследований или выпускаются в небольших количествах.

Наличие максимума кривой III в диапазоне около 3000 Мгц, по-видимому, свидетельствует о том, что имею­ щиеся конструкции магнетронов становятся менее эф­ фективными приборами СВЧ на частотах ниже 1000 Мгц (например, по сравнению с триодами СВЧ, рис. 2.3). Размеры вертикальных отрезков указывают на достаточно большие раЗбросы к. п. д. от одного типа магнетрона к другому, что, в основном, связано с раз­ личием уровней мощности этих магнетронов (малые зна­ чения к. п. д. относятся к магнетронам с малым уров­ нем мощности).

К- п. д- магнетронов на частотах выше 30 000 Мгц со­ ставляет 7—20% и уменьшается на частоте 80 000 Мгц до 3—5%, но является наиболее высоким из всех извест­ ных распространенных конструкций других мощных ге­ нераторов СВЧ. Эти данные свидетельствуют о том, что магнетроны достаточно эффективные генераторы в мил­ лиметровом диапазоне длин волн.

Важной характеристикой для применения магнетро­ нов является анодное напряжение и вес магнитной си­ стемы.

113

Приближенно величина анодного напряжения опре­ деляется выражением

где Н — магнитная индукция, тл\ гя, гк — радиусы анода и катода, см\

N — число, характеризующее номер вида колебаний; X— длина волны, см.

Эта формула устанавливает связь анодного напря­ жения с параметрами магнитной системы, простран­ ством взаимодействия и длиной волны. Из нее следует, что для создания магнетрона с анодным напряжением по возможности 'более низким, необходимо уменьшать пространство взаимодействия на более коротких волнах. Этот же вывод следует из расчета .резонаторной системы анодного блока для я-вида колебаний. Уменьшение пространства взаимодействия повышает плотность тока, снимаемого с катода, и увеличивает удельную нагрузку на анодный блок.

Таким образом, по мере укорочения длины волны электрические и тепловые режимы работы магнетронов становятся более тяжелыми, понижается их стабиль­ ность и надежность действия.

Вес магнитных систем магнетронов в зависимости от величины мощности и длины волны составляет от сотен граммов до сотен килограммов.

Сведения в отношении анодного напряжения, тока, к. п. д. и скважности некоторых распространенных кон­ струкций импульсных магнетронов приведены в табл. 3.1 и 3.2 по данным [35].

Из приведенных данных следует, что импульсные магнетроны являются приборами относительно невысо­ ких анодных напряжений, которые в небольших пре­ делах изменяются от одного типа магнетрона к другому, например, при уменьшении уровня мощности в 1000 раз в диапазоне длин воли от 25 см до 0,4 см анодное напря­ жение уменьшается всего в 5 раз. При этом к. п. д. уменьшается в 5 раз, а скважность увеличивается

в9 раз. Для этих же условий ток уменьшается в 40 раз. Следует отметить, что анодные напряжения для. маг­

нетронов все же достаточно велики, являются опасными для .работы операторов. В связи с этим в аппаратуре не-

Изменение основных предельных показателей магнетронов на различных длинах волн относительно Х = 25 с м

114

обходимо принимать специальные меры по защите обслу­ живающего персонала от высоких (напряжений и рентге­ новского излучения. Последнее является сравнительно мягким, но имеет большую интенсивность, так как мощ­ ность рентгеновского излучения пропорциональна току и квадрату напряжения.

Дальность действия радиолокационной станции, как это следует из основного уравнения радиолокации,

где П — потенциал станции, определяемый средней мощ­ ностью передатчика и чувствительностью приемного устройства (без учета параметров антенн).

Поэтому при конструировании магнетронов стремят­ ся увеличить их среднюю мощность путем увеличения допустимых значений длительности импульсов и повы­ шения частоты следования импульсов. Первое средство повышения средней мощности приемлемо для станций с большим радиусом действия, т. е. в основном для мощ­

станциях с малым .радиусом действия и обладающих вы­ сокой разрешающей способностью и точностью. Требова­ ния увеличения длительности импульса и повышения частоты следования импульсов являются взаимопротиворечивыми в связи с ограничениями со стороны эмиссион­ ной способности катода и резкого утяжеления теплового режима магнетрона в целом. Несмотря на эти трудно­ сти, за последние годы достигнуты хорошие результаты по предельным значениям длительности и частоты сле­ дования импульсов, а именно: от 0,01 до 15 мксек — по длительности импульсов и от десятков до 10000 имп/сек— по частоте следования импульсов. Эти результаты полу­ чены частично на оксидных импрегнированных катодах из тугоплавких металлов [9]. Ориентировочные пределы изменения длительностей импульсов для лучших образ­ цов магнетронов могут быть охарактеризованы для раз­ личных длин волн областью, заштрихованной на рис. 3.11. -Сплошной линией показаны типичные измене­ ния скважности магнетронов с предельными уровнями мощности на различных длинах волн.

Рассматривая возможности создания многорезонаториого магнетрона с перестройкой частоты и вопросы

стабильности частоты, точнее частотные уходы под воз* действием изменения режима питания (потоку иВЧ на­ грузке) или возмущающих (дестабилизирующих фак­ торов (температуры, изменения питающих напряжений, механических вибраций и т. п.), необходимо отметить

следующее.

Во-первых, импульсный магнетрон является распро­ страненным прибором с фиксированной настройкой ча­ стоты. Возможности механической перестройки частоты

Рис. 3.11. Зависимость длительности импульсов и скважности от длины волны для импульсных магнетронов.

невелики и составляют не более 5—10%• Электронная перестройка частоты возможна в очень узких пределах и часто сопровождается резким понижением стабильно­ сти работы и мадежности магнетрона.

Во-вторых, вопрос стабильности частоты является весьма важным и в ряде случаев определяющим при использовании магнетронов в практических конструк­ циях генераторов и передающих устройств. Более под­ робно он будет рассмотрен в последующих параграфах

настоящей главы.

Наконец, говоря о сроке службы (долговечности) магнетронов нельзя не указать на то, что он в сильной мере зависит от качества изготовления и режимов ис-

116

пользования в аппаратуре [Ю]. Известны случаи, когда один и тот же тип магнетрона, изготовленный различны­ ми фирмами, имеет резко неодинаковый срок службы.

Различные режимы и условия использования магне­ тронов могут приводить к 2—3-кратному изменению срока службы. Особенно пагубным для срока служ­ бы оказывается стремление в отдельных случаях исполь­ зовать магнетроны в режимах, близких ж предельным. Примером этого могут служить ориентировочные кривые годности магнетронов (рис. 3.12), полученные по резуль-

,%

годности

т

90

SO

70

60

Рис. 3.12. Кривые годности импульсных магне­ тронов в облегченном (/) и предельном (2) ре­ жимах работы.

татам обработки статистических данных и данных испы­ таний.

Срок службы магнетрона при правильном его кон­ струировании в основном лимитируется поверхностью катода и поверхностью резонаторной системы. В связи с этим на более коротких волнах, на которых та и дру­ гая поверхности уменьшаются, как указывалось выше, срок службы также понижается.

Полученные значения сроков службы современных промышленных магнетронов можно охарактеризовать в виде номограммы, приведенной на рис. 3.13. Пользо­ вание этой номограммой следующее. В соответствии с уровнем мощности и длиной волны, на которые рас­ считан магнетрон, проводятся линии, параллельные оси абсцисс, одна до пересечения с линией мощности, дру­ гая— с линией длины волны. Полученные две точки пе­ ресечения соединяются прямой линией. Точка пересече-

117

ния е осью абсцисс даёт вероятное значение срока службы магнетрона. На рисунке приведен пример им­ пульсного магнетрона с выходной мощностью 100 кет и длиной волны 3 см. Из номограммы видно, что срок службы подобного магнетрона составляет около 700 час.

Рис. 3.13. Номограмма для оценки минимального гарантируемого срока службы импульсных магнетронов по рекламным данным.

Подобная номограмма пригодна для ориентировоч­ ных определений срока службы. Более строгие указания срока службы, гарантированного процента годности и критерии его оценки даются в технических условиях и справочниках. Приближенность этой номограммы свя­ зана также с тем, что из года в год совершенствуется

118

технология производства магнетронов, улучшаются ма териалы, а также применение и эксплуатация магнетро­ нов в аппаратуре. Все эти мероприятия приводят к по­ вышению срока службы. Поэтому номограмму можно считать пригодной для определения минимального срока

Рис. 3.14. Магнетрон с длинным анодом:

службы импульсных магнетронов обычной конструкций, составляющего '/з-И/б часть вероятного срока службы. Указанная номограмма не может быть использована для определения срока службы других видов приборов, включая магнетроны с длинным, анодом (высота анода более или соизмерима с длиной волны). В магнетронах

119

с длинными анодами, получающими все большее распро­ странение для сверхбольших уровней мощности, благо­ даря значительно развитой поверхности катода и анода и полученных более рациональных режимов, срок службы почти на порядок больше срока службы обычных магне­ тронов. Например, широко рекламируемый магнетрон 10-см диапазона длин волн с выходной мощностью 5 Мет в импульсе обладает сроком службы свыше 10 000 час [34, 36]. Особенностями подобного магнетрона являются резонаторная система без связок с малым разделением видов колебаний, волноводный вывод энергии на вол­ не £oi со стеклянным колпаком и соленоид с водяной рубашкой для охлаждения.

Схематическая конструкция магнетрона с длинным анодом показана на рис. 3.14.

Рабочая и нагрузочная характеристики магнетрона с длинным анодом подобны характеристикам обычных магнетронов. Положительным свойством такого мапнетрона является устойчивая работа при длительностях импульсов до 10 мксек ((отсутствие перескоков видов ко­ лебаний и высокая электрическая прочность).

3.3.МЕДЛЕННЫЕ (ПЛАВНЫЕ) ОБРАТИМЫЕ

ИНЕОБРАТИМЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНЫХ МАГНЕТРОНОВ

Как отмечалось ранее, все изменения параметров им­ пульсных магнетронов можно подразделить на плавные (медленные) и скачкообразные (быстрые), обратимые и необратимые. При этом будем рассматривать только ос­ новные выходные параметры магнетронов: частоту, спектр генерируемых колебаний и выходную мощность. От этих параметров и их поведения в процессе эксплуа­ тации зависит потенциал и надежность аппаратуры.

Частота генерируемых колебаний зависит от большо­ го количества дестабилизирующих (возмущающих) фак­ торов: температуры окружающей среды T0KV\ изменения питающих напряжений или анодного тока / а; сопротив­ ления ВЧ нагрузки Z. В неявном виде

120

Появление такого суммарного частотного ухода мало­ вероятно, поэтому уходы частоты при воздействии ряда независимых факторов следует определять по средне­ квадратичному значению, т. е.

Из приведенного примера видно, что вероятные зна­ чения ухода частоты от воздействия возмущающих фак­

не рассмотреть вопросов ухода частоты, обусловленных процессами разогрева при включении, о чем кратко упо­ миналось в § 3.1.

Ориентировочно выбег частоты магнетронов без спе­ циальных мер по термокомпенсации резонаторной си-

121