книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот

Температурный коэффициент частоты может быть определен по линейному коэффициенту расширения ма­ териала анода. Полагая последний изготовленным из

Отсюда максимальные значения выбега частоты для магнетронов 10-, 3- и 1 -см диапазона волн соответст­

на аппаратуру может быть ослаблено путем применения автоматической подстройки частоты, термостатированием, специальным предварительным прогревом, стаби­ лизацией анодного тока, улучшением условий согласо­ вания ВЧ нагрузки или применением -развязывающих ферритовых устройств.

Медленные необратимые изменения частоты генери­ руемых колебаний могут произойти в процессе эксплуа­ тации магнетрона (в связи с деформациями и переко­ сами катодной ножки), некоторого уменьшения диаметра катода в течение срока службы и нарушений в меха­ низме перестройки, в выводе энергии и других элемен­ тах резонаторной системы. Часто эти изменения сопро­ вождаются понижением устойчивости работы магнетро­ на и являются симптомами ближайшего выхода магне­ трона из строя.

122

Медленные обратимые и необратимые изменения спектра генерируемых колебаний могут быть вызваны:

—механическими вибрациями, особенно при боль­ ших ускорениях (рис. 3.9);

—изменениями формы модулирующего импульса и нарушениями условий согласования ВЧ нагрузки;

—изменением величины импульса анодного тока и попаданием в область больших изменений электронного смещения частоты (рис. 3.3).

Влияние возмущающих факторов на спектр генери­ руемых колебаний может быть ослаблено прежде всего путем более правильного конструирования магнетронов (созданием прочного в механическом отношении катод­ ного узла, применением катодов с высокой эмиссионной способностью, правильным расчетом пространства взаи­ модействия, поддержанием высокого вакуума).

Все эти меры направлены на ослабление паразитной частотной модуляции и уменьшение электронного сме­ щения частоты.

Форма модулирующего импульса, как правило, не­ значительно меняется в процессе эксплуатации аппара­ туры, поэтому правильно разработанный передатчик, обеспечивающий форму модулирующего импульса на­ пряжения, близкую к прямоугольной, является доста­ точно надежной гарантией того, что за счет этого факто­ ра спектр будет 'подвергаться малым изменениям.

Наконец, остановимся на вопросе изменения отда­ ваемой мощности магнетроном. Здесь мы наблюдаем медленные как обратимые, так и необратимые изменения мощности.

Обратимые изменения мощности имеют место при изменении питающих напряжений, сопротивления ВЧ нагрузки и изменении эмиссии.

Необратимые изменения мощности связаны с ухуд­ шением эмиссионной способности катода, напылением на резонаторы, деформациями и потерями за счет на­ пыления в ВЧ выводе энергии за счет размагничивания магнитов или перекосов анодного 'блока в магнитах.

Указанные изменения могут явиться результатом не­ качественного изготовления прибора, неправильно вы­ бранного режима работы (особенно в отношении темпе­ ратурного режима и сопротивления ВЧ нагрузки), дли­ тельного хранения прибора (благодаря последнему мо-

123

AP. tVa. £F3 .

~ T ' i k ' T 7 ' /o

гивания частоты ——Л в процессе срока службы

/

магнетронов.

124

жет иметь место натекание или ухудшение вакуума), «растренировки» катода, а также результатом небреж­ ной эксплуатации.

На рис. 3.15 приведены графики медленных необра­ тимых изменений основных параметров магнетронов, на­ блюдаемых в процессе срока службы.

На рис. 3.15,а показан пример положительного ре­ зультата испытаний на срок службы. Критерием оценки срока службы здесь принята выходная мощность, точ­ нее 80% от первоначально измеренной величины. На рис. 3.15,6 зафиксирован отрицательный результат испы­ таний на срок службы, так как выходная мощность рез­ ко уменьшалась ниже 80% :в течение времени, меньше­ го нормы срока службы, установленного техническими условиями.

В первом случае наблюдался медленный естествен­ ный процесс старения магнетрона, обусловленный ослаб­ лением эмиссионной способности и распылением катода и возрастанием потерь в стенках резонатора, скорее всего за счёт напылений. Благодаря этим причинам анодное напряжение к концу срока службы возросло, степень затягивания частоты несколько уменьшилась и

ний анодного напряжения и степени затягивания часто­ ты, однако имело место значительное возрастание вы­ ходной мощности и затем ее резкое падение. По-види­ мому, причиной преждевременного выхода магнетрона из строя явился некачественно изготовленный катод.

Поскольку срок службы и необратимые изменения (ухудшения) параметров преимущественно связаны с температурным режимом, рассмотрим этот вопрос бо­ лее подробно.

3.4.ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ИМПУЛЬСНЫХ МАГНЕТРОНОВ

Температурные режимы мощных электронных при­ боров оказывают определяющее влияние на их надеж­ ность и долговечность.

Особенно это относится к магнетронам, у которых резонаторная система одновременно служит для рассеи­

•125

вания тепла, выделяемого на аноде, а катод получает дополнительный нагрев за счет обратной бомбардиров­ ки электронами и высокочастотных потерь. Дополни­ тельный .разогрев 'получается также вследствие высо­ кочастотных потерь в выводе энергии.

Изменение температурного режима в небольших пределах приводит к уходу частоты генерируемых коле­ баний, в основном, за счет изменения геометрических размеров резонаторов и механизма перестройки.

Большие изменения температуры обусловливают ряд нежелательных явлений. Чрезмерный нагрев анодного блока и вывода ВЧ энергии может вызвать интенсивное газовыделение, увеличение ВЧ потерь, оплавление ла­ мелей резонаторной системы, расплавление диэлектрика окна вывода ВЧ энергии и другие нарушения, приводя­ щие к преждевременному выходу магнетрона из строя,

Требования к допустимым пределам изменения тем­ пературы оксидного катода, наиболее широко применяе­ мого в магнетронах, весьма жестки. Максимальную дол­ говечность 'магнетрона можно ожидать только «при опти­ мальной температуре катода {11— 13]. Высокая темпера­ тура катода вызывает быстрое испарение свободного бария с оксидного слоя, утяжеляет общий тепловой ре­ жим магнетрона. Низкая температура катода может привести к вырыванию частиц оксида, ■искрению, отрав­ лению катода.

Особенности механизма колебаний в магнетроне обу­ словливают зависимость температуры катода Тк от ре­ жима, сопротивления ВЧ нагрузки и температуры анод­ ного блока.

В общем случае рабочая температура катода элек­ тровакуумного прибора в неустановившемся режиме определяется уравнением баланса энергии вида [14]

126

Фнод— количество тепла, выделяемого мощностью накала и обратной бомбардировкой катода электронами;

/—! плотность тока катода; У?к — сопротивление катода >на единицу поверхно­

сти; .

HQi — количество тепла, отводимого от катода за счет теплопроводности, теплоизлучения и испарения вещества катода.

Данное уравнение для решения практических задач является достаточно сложным. Прибегать к нему прихо­ дится при расчете времени разогрева катода или в слу­ чаях более точного учета всех факторов, воздействую­ щих inа температурный режим катода.

Для многих технических приложений можно пользо­ ваться приближенным расчетом магнетрона в устано­ вившемся тепловом состоянии.

С точки зрения оценки правильности выбранного ре­ жима по накалу и конструкции катода представляет ин­ терес рассмотреть раздельно решение двух задач темпе­ ратурного режима импульсного магнетрона в установив­ шемся тепловом состоянии:

—расчет температурных градиентов в поперечном сечении (радиальном направлении);

—расчет неравномерности распределения темпера­

туры вдоль катода.

Принятая при расчете упрощенная конструкция като­ да и ожидаемое распределение температуры в попереч­ ном сечении магнетрона показаны на рис. 3.16.

где Qi — количество тепла, рассеиваемое за счет тепло­ проводности;

Q2 — количество тепла, излучаемое катодом.

Примем, что разогрев катода в динамическом режи­ ме, в основном, обусловлен обратной бомбардировкой электронами, мощность которой составляет 5—10% от подводимой мощности Ро. Положим Робр= 0,1 Р0. в си­ стеме единиц СИ -получим

127

Рис. 3.16. Ожидаемое распределение температуры в попереч­ ном сечении магнетрона в стационарном динамическом ре­ жиме.

Количество тепла, излучаемое катодом, может быть оценено известными соотношениями для лучеобмеиа между телами в замкнутом пространстве {15]

тела;

128

При расчете распределения температуры в попереч­ ном сечении зададимся температурой подогревателя Тц н внешней температурой анода Тйч.

Для определения температуры внутренней поверхно­ сти анода рассмотрим далее выражение для количества тепла, рассеиваемого на аноде.

где Явч — ВЧ мощность, отдаваемая в нагрузку.

С другой стороны, полагая, что поверхность анода цилиндрическая, получаем

Из выражений (3.17) и (ЗЛ8) может быть определе­ но значение 7^. Подстановка Га1 в формулу (3.16) дает

где

2«ХСиА

5 = e uC0Sa.

В установившемся тепловом режиме система урав­ нений теплового баланса, обусловленного рассеиванием

тепла в катоде за счет теплопроводности, может быть

130

где

Та2= £ (обдува, температуры окружающей среды), коэф­

фициента теплопроводности и геометрических размеров катода N = o(X, г, h).

определим расчетным путем температурный режим

Из приведенных данных следует, что температура ка­ тода существенно зависит от качества обработки по­ верхности анода н претерпевает изменения в процессе срока службы магнетрона за счет напыления на резона­

тор и его оплавления.

Расчет неравномерности распределения температуры вдоль катода представляет достаточно трудную задачу.