книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

вой стенкам. Благодаря этому описанная система позво­ ляет рассеивать большее количество тепла, чем резона­ торная система обычного лопаточного магнетрона. Эта особенность замедляющей системы в сочетании с малой кинетической энергией электронов, приходящих на анод,

Ф и г. 5. Выходная мощность, к.п.д. и усиление в зависи­ мости от частоты для магнетронного усилителя Ь-3974 с инжектировшиым потоком.

обусловливает возможность получения в таких усилите­ лях большой средней мощности.

Для получения широкой полосы в магнетронном уси­ лителе типа Ь-3767 дециметрового диапазона необходимо использовать широкополосную замедляющую систему, например спираль. Замедляющая система в магнетрон­ ных усилителях должна образовывать плоскую поверх­ ность, параллельную отрицательному электроду; поэтому целесообразно использовать плоскую ленточную спираль (фиг. 7). Замедляющая система прибора Ь-3767 охлаждает­ ся потоком жидкости, протекающей через спиральный

проводник. Как видно из табл. 1, отношение граничных частот полосы пропускания этого усилителя достигает почти 3 : 1 при выходной мощности 0,7—1,2 кет в не-

Воковые стенни

Ф и г . 7. Замедляющая си­ стема в виде плоской ленточ­ ной спирали для магнетрон­ ного усилителя с инжектиро­ ванным потоком.

прерывном режиме. В замедляющей системе усилителя сделан только один разрыв, но усиление в каждой из взаимодействующих секций ограничено. В полосе пропу­ скания коэффициент усиления меняется от 12 до 16 дб.

III. Направления работ

вобласти магнетронных усилителей

синжектированным потоком

Помимо совершенствования конструкций с целью уменьшения их размеров и веса, предстоит обратить вни­ мание на повышение устойчивости усилителя против само­ возбуждения в отсутствие входного сигнала и на расши­ рение диапазона частот, в котором еще допустимо ис­ пользовать широкополосные замедляющие системы (с ши­ риной полосы в октаву и более).

Размеры и вес последних конструкций магнетронных усилителей с инжектированным потоком значительно меньше, чем у первых вариантов. Так, например, вес старого прибора Ь-3652 равен 30 кг, а вес недавно создан­ ного усилителя Ь-3765 — всего 15 кг. Можно надеяться, что новые конструкции будут иметь еще меньшие вес и размеры.

Одна из проблем, которые предстоит решить, связана с необходимостью повышения устойчивости усилителя. Первые магнетронные усилители имели цилиндрическую форму, и из-за близости ВЧ-выхода к ВЧ-входу обратная связь была настолько большой, что автогенерация обычно возникала при усилении около 18 дб даже в присутствии полной мощности входного сигнала. Однако в приборе плоской конструкции с разрывами в замедляющей системе и со специальными средствами подавления обратной связи удается избежать автоколебаний (в присутствии входного ВЧ-сигнала) даже при усилении 25 дб в режиме насыще­ ния. Кроме того, если ток потока уменьшить до 2/з от значения, соответствующего режиму полной мощности, то автоколебания в усилителе прекращаются и в отсут­ ствие входного сигнала. Дальнейшего повышения этой границы устойчивой работы до режима полной мощности можно добиться путем улучшения однородности замед­ ляющей структуры1>, уменьшения отражений от точек согласования и уменьшения обратной связи на быстрых волнах вдоль отрицательного электрода.)*

*) Одним из перспективных путей повышения устойчивости против самовозбуждения усилителя является введение в замедляю­ щую систему распределенной ферритовой развязки.— Прим. ред.

Широкополосные спиральные замедляющие системы можно использовать и в более высокочастотных прибо­ рах, чем Ь-3767. Но на этих более высоких частотах жид­ костное охлаждение с пропусканием охладителя через элементы системы становится непригодным и приходится рассчитывать на охлаждение только за счет теплопровод­ ности. По оценкам, спиральные замедляющие системы, охлаждаемые за счет теплопроводности, позволят полу­ чить непрерывную выходную мощность 1 кет в 5-санти­ метровом диапазоне и 2 кет в 10-сантиметровом диапазоне.

IV. Характеристики магнетронных усилителей

сраспределенной эмиссией

инезамкнутым электронным потоком

Первоначально разработка плоского магнетронного усилителя с распределенной эмиссией и незамкнутым по­ током была выполнена в 3-сантиметровом диапазоне. Ради получения большой средней мощности в этой разра­ ботке использовалась замедляющая система с пространст­ венными гармониками. В такой замедляющей системе напряжение синхронизма на длинноволновой границе полосы пропускания (для я-вида) несколько выше, чем в рабочей полосе. Эта особенность в сочетании с широ­ ким разбросом по скоростям, типичным для электронного потока в случае распределенной эмиссии, часто вызывает генерацию на краю полосы, причем обычно генерируется я-вид. Исследовалось несколько вариантов нагрузок и плавных согласующих переходов, однако нормальная ра­ бота усилителя во всех случаях ограничивалась возникно­ вением этой генерации на краю полосы. В лучших образ­ цах приборов до возбуждения указанных паразитных колебаний удавалось реализовать усиление всего 6— 7 дб.

Недавно фирмой «5РБ лабораториз» разработан новый класс замедляющих систем, в которых осуществляется взаимодействие на основной гармонике прямой волны. Эти системы выполнены на основе спирали, которая под­ держивается легко охлаждаемыми металлическими пла­ стинами (ламелями). Разработчики назвали этот класс систем «спираль-ламельными» («Ье1|'х-соир1еб уапе») систе­

мами. Наличие ламелей вызывает значительную диспер­ сию холодной замедляющей системы. Однако процесс взаимодействия в магнетронных усилителях с распреде­ ленной эмиссией допускает вследствие подстроечного дей­ ствия очень плотного пространственного заряда сравни­ тельно большое изменение фазовой скорости в заданной полосе частот. Максимально допустимая средняя мощ­ ность для такой системы не столь велика, как для систе­ мы с пространственными гармониками, но во много раз превышает аналогичный параметр для обычной спирали. Типичная дисперсионная характеристика такой системы показана на фиг. 8.

В замедляющей системе прямой волны генерация на границе полосы не возникает. Напряжение синхронизма для я-вида много меньше, чем рабочие значения напряже­ ния, и поэтому интенсивного группирования пространст­ венного заряда я-вида не происходит. Магнетронные усилители с распределенной эмиссией как с замкнутым, так и с незамкнутым потоком, в которых использовались спираль-ламельные замедляющие системы, успешно про­ шли испытания.

Магнетронный усилитель, относящийся к рассмотрен­ ному выше классу, для случая незамкнутого потока по­ казан на фиг. 9. Простота конструкции прибора очевид­ на. Для ввода и вывода энергии используются простые прямоугольные волноводы с вакуумноплотными СВЧокнами. Вакуумная оболочка прибора выполнена из нержавеющей стали и заварена дуговой сваркой в атмо­ сфере гелия. Холодный вторично-эмиссионный катод кре­ пится внутри оболочки с помощью нескольких керамиче­ ских изоляторов. Плоская конструкция прибора очень удобна и с точки зрения создания компактного постоян­ ного магнита. Полюсные наконечники обычно делают из высококоэрцитивного магнитного материала (алнико VIII или алнико IX), а магнитная оболочка обеспечивает пол­ ное замыкание магнитного потока и «самоэкранирование». Внешний вид собранного усилителя показан на фиг. 10.

Основные характеристики типичного усилителя 3-сан­ тиметрового диапазона, работающего с выходной мощ­ ностью 100 кет в импульсе непосредственно от источника питания постоянного тока, приведены на фиг. 11—13,

Ф и г. 12. Амплитудная характеристика маг- ф и г. 13. Изменение фазы в зависимости от тока для маг­

На фиг. 11 построены кривые усиления в зависимости от частоты для различных значений мощности входного сигнала. Полная мгновенная полоса усилителя не до­ стигнута из-за ограниченного диапазона настройки маг­ нетрона, использованного в качестве «задающего» генера­ тора.

Типичная амплитудная характеристика усилителя по­ казана на фиг. 12. В отличие от приборов с инжектиро­ ванным потоком в магнетронном усилителе с распре­ деленной эмиссией ток катода пропорционален уровню ВЧ-напряжения на замедляющей системе. При этом с повышением уровня ВЧ-напряжения выходная мощность продолжает расти. Вследствие такой зависимости между током катода и уровнем ВЧ-напряжения изменение к. п. д. вдоль показанной на фиг. 12 кривой невелико, и прибор обладает сравнительно широким динамическим диапазо­ ном по мощности.

Для многих применений важное значение имеет высо­ кая стабильность и линейность фазовой характеристики. Как уже говорилось выше, для процесса взаимодействия в скрещенных полях стабильность фазы типична из-за фазовой синхронизации, обусловленной сформированным пространственным зарядом. В усилителе с холодным ка­ тодом, распределенной эмиссией и незамкнутым потоком существует всего два независимых параметра: катодное напряжение и уровень входного ВЧ-сигнала. На фиг. 13' показано, как меняется фаза при изменении тока катода. В качестве независимого переменного взят ток катода, потому что его можно точнее измерить, чем катодное на­ пряжение. В области номинальных рабочих значений тока изменения фазы очень малы и составляют 0,15° на 1% изменения тока катода (0,15°/1 % Л/). Такое измене­ ние тока соответствует изменению напряжения прибли­ зительно на 0,16%. Следовательно, изменение фазы при из­ менении катодного напряжения на 1% составляет менее Г (1°/1 % АЦ).

Аналогичные измерения фазы при изменении уровня входного ВЧ-сигнала также свидетельствуют о высокой фазовой стабильности. В режиме большого усиления из­ менения фазы составляют 0,Г на 1% изменения мощ­ ности входного сигнала (0,Г/1% ДРйК). В режиме пере­