книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот

Рассматривая упрощенную конструкцию катода, пока­ занную на рис. 3.17, .можно считать, что отвод тепла в конце катода / определяется только потерями за счет тегЛюпроводности, а охлаждение катода с конца I I — только за счет теплоизлучения.

Рис. 3.17. Упрощенная конструкция катода и ожидае­ мое распределение температуры вдоль катода.

В этом случае, в установившемся температурном ре­ жиме для теплового потока может быть записано сле­ дующее выражение:

с

ох = ----- площадь поперечного сечения нож-

. ки катода;

dt и d4— наружный и внутренний диаметры ножки катода.

132

Из выражения (3.23) после преобразований может быть определена температура конца / катода в виде

Расчет охлаждения конца II катода за счет теплоиз­ лучения может быть произведен из рассмотрения урав­ нения теплового баланса следующего вида:

где

S = l2nd2—nd22=nd2{li—d2) поверхность цилиндриче­ ской и торцовой части ко-нца II катода;

5 '« 2 5 .

Обозначая B=SaenC0 и М=1г\цi и считая величину Та2 известной (может быть определена из выражения 3.18), согласно формуле (3.25) определяем значение тем­ пературы конца II катода выражением следующего вида:

Ориентировочное распределение температуры вдоль катода показано на рис. 3.17. Расчет показывает, что в динамическом режиме магнетрона при включенном на­ кале величина Тк—Т2^50° К, а Тк—Т^Ю О0К.

Экспериментальная проверка приведенных расчет­ ных формул температурного режима магнетронов за­ труднена в связи с отсутствием методов измерения тем­ пературы катода, обладающих необходимой точностью. Количественная оценка влияния режима на температуру катода и анода магнетрона может быть сделана из опыт­ ных -кривых. Так, на рис, 3.18 показаны зависимости

133

температуры катода и анода от режима, полученные на магнетронах с выходной мощностью 60—80 кет в им-’ пульсе. Температура катода намерялась с помощью оптического пирометра (абсолютная погрешность изме­ рения ±25° К) , а температура анодного'корпуса — с по­ мощью термопар (погрешность измерения ±5°К).

гя,°л

Для указанных магнетронов были произведены экс­ периментальные исследования зависимости температуры катода от изменения анодного тока и КСВ нагрузки в наиболее неблагоприятной фазе отраженной волны. Эти зависимости, показанные на рис. 3.19 и 3.20, также свидетельствуют о больших изменениях температуры катода, граничащих с предельно допустимыми, и необхо­ димости правильного выбора температурного режима

.работы в процессе эксплуатации магнетронов.

3.5.БЫСТРЫЕ (СКАЧКООБРАЗНЫЕ) ОБРАТИМЫЕ

ИНЕОБРАТИМЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНЫХ МАГНЕТРОНОВ

Наиболее сложными изменениями параметров под воздействием дестабилизирующих .(возмущающих) фак­ торов и просто в течение срока службы магнетронов яв-

135

ляются быстрые (скачкообразные) обратимые и необра­ тимые изменения параметров, связанные с перескоками и сдвигами видов колебаний, пропусками ВЧ импульсов, пробоями н искрениями — типичными аномальными процессами в магнетроне.

Значения параметров магнетрона зависят от характе­ ра изменения дестабилизирующих факторов внешней среды и режима. В ряде случаев следствие и причину того или иного аномального процесса в магнетроне весь­ ма трудно разделить. Поэтому конструктор, применив­ ший магнетрон, должен хорошо знать свойства магне­ трона и условия его использования в аппаратуре, с гем чтобы предотвратить нежелательные нарушения стабиль­ ной работы передатчика.

Многорезонаторные магнетроны преимущественно ра­ ботают .на я-виде колебаний. Для создания магнетрона, устойчивого к возбуждению единого вида колебаний, де­ лаются специальные связки между резонаторами или применяются разнорезонаторные системы. Например, считается, что связки выбраны (правильно, если длина волны наиболее .близко расположенного вида -колеба­ ний %п отличается -от длины волны я-вида колебаний Яя

не менее чем на 10%, точнее, если выполняется следую­ щее условие:

с самовозбуждением, необходимо время для возбужде­ ния колебаний. Это накладывает ограничение на ско­ рость нарастания импульса модулирующего напряже­ ния при достижении амплитуды импульса напряжения свыше 85—90% от установившегося значенияБольшие скорости нарастания напряжения приводят к возникно­ вению нежелательных видов колебаний или пропусков генерируемых импульсов. Это связано с тем, что пер­ вичная эмиссия катода и ток, создаваемый вторичной электронной эмиссией за счет обратной бомбардировки катода, не будут в состоянии обеспечивать возникнове­ ние пространственного заряда, необходимого для под­ держания устойчивых колебаний в магнетроне. В этом случае в магнетроне может возникнуть нестабильный ре­ жим, проявляющийся во флюктуации фронта генерируе-

136

мых импульсов, перескоках, пропусках. Подобные неста­ бильности могут вызвать сильные искрения, чрезмерные повышения напряжения и даже выход из строя магне­ трона.

С другой стороны, при растянутых .фронтах модули­ рующих импульсов напряжения возможны случаи воз­ никновения низковольтных видов колебаний. Это может произойти в том случае, если время установления ко­ лебаний окажется соизмеримым с длительностью фрон­ та или отдельного участка фронта.

Возникающий паразитный вид колебаний может раз­ виться в колебание на протяжении всего импульса и по­ давить основной вид колебаний.

Для предотвращения этого необходимо, чтобы дли­ тельность фронта Ат была меньше времени установле­ ния колебаний л-вида ( /у с т )

Qn — добротность нагруженного резонатора; шо — круговая частота генерируемых колебаний;

При наличии флюктуаций спада импульса напряже­ ния могут также возникнуть низковольтные неосновные виды колебаний, искрения и чрезмерные утечки тока.

Несмотря на соблюдение требований в отношении скорости нарастания импульса напряжения (крутизны фронта напряжения, выраженной в квIмксек), в магне­ троне в особых точках наблюдаются перескоки и сдвиги видов колебаний и так называемые «двоения».

Под перескоком вида колебаний обычно понимают пе­ реход с л-вида колебаний на другой вид колебаний, со­ провождаемый резким изменением частоты и мощности при сохранении нормальной формы спектра.

Сдвиг видов колебаний — это изменение вида коле­ баний, происходящее в течение импульса. Они, как пра­ вило, сопровождаются резким искажением спектра. Пе­ рескоки и сдвиги видов колебаний — сравнительно ред-

137

кое явление, и в -правильно разработанном магнетроне они наблюдаются только «при резких уменьшениях то'ка эмиссии катода, нарушениях в .согласовании ВЧ нагруз­ ки и при искрениях (о последнем несколько подробнее будет сообщено дальше).

Рассмотрим скачкообразные изменения параметров

ввиде «двоений», которые достаточно часто наблюдаются

вмагнетронах в их рабочей области при плавном изме­

нении анодного тока. Оценка «двоений» и характера их проявления наглядно производится по осциллограммам импульса анодного тока и спектра генерируемых коле­ баний. На рис. 3.21 (см. иллюстр.) показаны осцилло­ граммы импульсов анодного тока и спектра генерируе­ мых колебаний при отсутствии (рис. 3.21,а) и при наличии «двоений» (рис.- 3;21,б и в). Следует заметить, что при плавном изменении анодного тока и приближе­ нии к точке «двоения» на плоской, части наблюдаются интенсивные шумы, затем часть импульсов идет с одним значением тока, часть — с другим (наблюдаем на осцил­ лограмме раздвоение плоской части импульса), переходя затем скачкообразно на однородный импульс.

Влияние на перескоки, и особенно на «двоения» шу­ мов -в магнетроне, связано с поведением пространственно­ го заряда диода в магнитном поле. Еще в 1955 г. был изготовлен специальный-магнетрон, имеющий только один резонатор с выводом ВЧ энергии. Исследование такого прибора показало, что возникновение интенсивных шу­ мов соответствует значениям анодного напряжения и магнитного поля, при которых наблюдаются шумы, пред­ шествующие двоению и перескоку в обычном магнетро­ не. Поэтому можно считать, что природа «двоения» в основном связана с катодными явлениями и поведе­ нием пространственного заряда в пространстве взаимо­ действия, т. е. электроникой диода в магнитном поле.

Область «двоения» по величине анодного тока зани­

фиксируемые анализатором спектра гетеродинного типа, показаны на рис. 3.22 (см. иллюстр.). При «двоении» спектр также смещается на небольшую величину 05— 1 Мгц и в редких случаях до 5 Мгц (рис. 3.22,а, б и в). В отдельных еще более узких областях (при наличии ин­ тенсивных шумов) спектр может рассыпаться (рис. 3.22,г).

138

«Двоение» зависит от геометрии пространства взаи­ модействия, эмиссионной способности катода и вакуума. Некоторое влияние на «двоение» оказывает и ВЧ нагруз­ ка. На рис. 3.23 показано влияние фазы отраженной волны (при КСВ=1,5) на изменение области «двоений» по величине тока. Из этого графика видно, что интервал

1а,ма

«двоений» по току почти не меняется, хотя абсолютная величина тока претерпевает изменение, как это и сле­ дует из нагрузочных диаграмм магнетрона.

Одной из наиболее существенных и трудных задач в области импульсных магнетронов является повышение их устойчивости к искрениям и пробоям. Дело в том, что. достаточно часто, стремясь наиболее полно использовать мощный прибор, устанавливают предельный или близкий к предельному режиму работы магнетрона. Между тем подобное использование магнетронов не­ разрывно связано с наличием интенсивных искрений,

139

особенно после длительного хранения Для Неоттренированных магнетронов, к концу срока службы и при не­ значительных повышениях анодного напряжения. Про­ веденные в этом направлении исследования позволили установить некоторые закономерности в отношении ин­ тенсивности искрений .в течение срока службы и зависи­ мости искрений от режима работы магнетронов.

Срок служв/я; час

Рис. 3.24. Типичные зависимости интенсивности искрений импульсных магнетронов от срока службы:

По этой причине на рабочих характеристиках указы­ вается область искрений (рис. 3.2). Типичные зависимо­ сти интенсивности искрений от срока службы магнетро­ нов имеют вид, показанный на рис. 3.24 [3, 11].

Работы по исследованию искрений способствовали более правильному использованию магнетронов в аппа­ ратуре и оказали положительное влияние на совершен­ ствование технологии промышленных образцов магне­ тронов и, в частности, катодного узла, требований к ма­ териалам, вакууму, качеству механической обработки

140

вновь заставили обратиться к детальному изучению ха­ рактера генерируемых колебаний импульсными магне­ тронами при наличии искрений и изысканию путей устра­ нения или хотя бы ослабления этого вредного явления в магнетронах.

Рассмотрим коротко методику исследования искре­ ний. Наиболее простым и наглядным способом исследо­ вания искрений является использование самописца по­ стоянного тока, регистрирующего -средний анодный ток магнетрона. Недостатком этого способа является то, что он допускает лишь качественную оценку интенсивности искрений, так как показания самописца сильно зависят от постоянной времени разрядной цепи магнетрона и инерционности механической системы самописца.

Количественная оценка интенсивности искрений мо­ жет быть произведена счетчиком искрений, включаемым

.не в цепь среднего анодного тока, а в цепь регистрации импульсного анодного тока.

Оба указанных способа контролируют усредненные значения интенсивности искрений, и ими до сих пор •пользуются при исследовании зависимости искрений от режима работы магнетрона и при испытании магне­ тронов на срок службы.

Однако эти способы не дают возможности раскрыть характера колебаний, генерируемых магнетроном, при наличии искрений. Поэтому была разработана методика,

в течение цуга импульсов и каждого импульса в отдель­ ности.

Рассмотрение методики контроля процессов в тече­ ние цуга импульсов будет сделано несколько позже при анализе влияния нестационарных процессов в магнетро­ не на работу автоматической подстройки частоты кли­ строна-гетеродина (гл. 6).

Для исследований «тонкой» структуры генерируемых колебаний магнетронов в моменты искрений использова­ лась методика одновременной регистрации одиночных импульсов ВЧ колебаний и импульсов анодного тока. Такая методика может быть осуществлена с помощью киноаппарата, работающего синхронно с частотой по­ сылки импульсов. Однако применение этого способа тре­ бует обработки очень большого количества пленки, силь­

141