книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

где 3 < М < 5 . Для восьмирезонагориого магнетрона Слэтер

[5]рекомендует Л4=4.

Вэтих формулах величина к — высота резонаторов — ограничена сверху значением Яя/2, чтобы исключить выс­ шие виды колебаний. А чтобы снизить стоимость магнит­

ной системы, требующейся для получения заданного поля В , желательно выбирать меньшие значения к. При­ веденные формулы справедливы и для режимов работы, отличающихся от нормальных. Сравнительно часто вели­ чина АУ, необходимая для получения большого анодного тока, обеспечивающего требуемый уровень мощности при

колебаний определяется практическим способом, описан­ ным в следующем разделе. Степень возможных поврежде­ ний магнетрона из-за изменения вида колебаний зависит от схемы источника питания п обсуждается в разд. V.

гающимся СВЧ-нагреву. Влияние больших значений к. с. в. и. сказывается следующим образом: а) нарушается процесс формирования сгустков пространственного заряда и прекращается генерация; б) АУ становится слишком большим; в) возникает «двоение» рабочей частоты. В слу­ чае а) колебания срываются, ток падает до нуля, а анод­ ное напряжение возрастает в соответствии с характери­

на я-виде. Кроме того, из-за асимметрии вида (N/2) — 1 токи в некоторых частях связок возрастают на порядок. Действие этих двух факторов очень быстро приводит к расплавлению связки. Влияние конструкции источника питания на эти процессы рассмотрено в разд. V.

Со случаем в) можно встретиться в тех применениях, в которых работа генератора сильно зависит от длины линии, связывающей его с нагрузкой [6]. При опреде­ ленных значениях степени затягивания частоты магне­ трона и длины линии некоторые значения импеданса на­ грузки после пересчета на вход линии попадают при со­ ответствующих к. с. в. н. в область, обозначенную на круговой диаграмме как область фазы нагрузки. На диа­ грамме фиг. 6 толстой линией показано геометрическое место точек, в которых наблюдается двоение. Поскольку при переходе через граничную кривую величина /?ш несколько меняется, то будет иметь место и соответствую­ щее изменение к. п. д. с каждой стороны от этой границы. Соответствующее изменение мощности рассеяния вызы­ вает механическую деформацию в системе резонаторы — связки, что приводит к смещению рабочей точки на дру­ гую сторону граничной кривой. Частота повторения этого перехода обычно равна 2—3 гц и зависит от постоянной времени связки. Если в установках СВЧ-иагрева исполь­ зуются специальные «мешалки», перемешивающие элек­ трическое поле, то рабочая точка не попадает в область двоения и долговечность магнетрона не уменьшается. Если же мешалка отсутствует, а нагрузка близка к гра­ ничной, то из-за усталости материала, возникающей при циклических деформациях, некоторые связки выходят из строя.

Какие выводы можно сделать из наших расчетных фор­ мул, если мы хотим получить оптимальный [в отношении

только при соответствующем увеличении ДУ2 (в пред­ положении фиксированной геометрии прибора). Это уве­

личеиие АV не должно приводить к появлению паразит­

назначения обычно имеются механизмы настройки, ко­ торые по своему принципу действия всегда уменьшают 2 0. Кроме того, одно значение не может быть оптималь­ ным во всем широком диапазоне настройки. Следователь­ но, неперестраиваемые магнетроны, предназначенные для

компромисса необходимость увеличения магнитного по­ ля В, некоторое снижение к. п. д. и, возможно, значи­ тельное увеличение мощности обратной бомбардировки катода.

3.Повысить анодное напряжение, изменив соответст­ вующим образом (1Я, и, возможно, N так, чтобы полу­ чить более мощный прибор. Такой прибор при мощностях ниже номинальных сможет работать на нагрузку с боль­ шим к. с. в. н.

В случае б) конструктор может поступать следующим образом:

1.Повысить величину 2Г0, как в предыдущем случае

п.1.

2.Увеличить эффективность связок с тем, чтобы по­ высить разделение частот между л- к [(N/2) — 11-видом и

вследствие этого иметь возможность намного увеличить АV. Поскольку увеличение емкости связок обычно при­ водит к 'уменьшению величины 2 0, имеется некоторое оп­ тимальное значение, после которого начинают одновре­ менно действовать условия а) и б). Дальнейшее улучше­ ние характеристик магнетрона можно получить только изменением 20 или с1к, как указывалось выше.

Другие задачи, которые приходится решать при кон­ струировании магнетронов для нагрева, в значительной степени связаны с технико-экономическими показателями. Поскольку производственные расходы зависят от исполь-

зуемого оборудования, у каждого изготовителя стоимость может быть различной. Желание заказчика иметь малое время предварительного прогрева катода во многих слу­ чаях привело к использованию прямонакальных катодов. Существует также тенденция ограничивать максималь­ ный импульсный ток, который можно получить от маг­ нетрона. С этим ограничением можно согласиться, по­ скольку в системе, где применяется магнетрон, все рав­ но необходимо ограничить уровень искрений. Волновод­ ный вывод энергии, как правило, слишком дорог для та­ ких применений и поэтому используют коаксиальные или коаксиально-волноводные выводы энергии со штыре­ вой антенной внутри вакуумного диэлектрического кол­ пачка. В каждом случае приходится решать вопрос о кон­ струкции недорогих, по хороших контактов. Некоторые разработчики используют для получения хороших соеди­ нений тонкопроволочиые плетеные контактные прокладки.

Много внимания уделяется выбору магнитной систе­ мы и источника питания электромагнитов. Новые средства стабилизации источников питания позволяют исключить возможность изменения вида колебаний из-за нестабиль­ ности напряжения сети, поэтому при мощностях до 1 кет наиболее экономичным решением будет использование постоянных магнитов. Но если установка должна работать на двух уровнях мощности и если выходная мощность,

Магнетроны имеют воздушное или жидкостное охлаж­ дение. Чтобы обеспечить большой срок службы магне­ трона, желательно использовать воздушное охлаждение для магнетронов мощностью не более 1 кет. Одно из преимуществ жидкостной системы охлаждения состоит в том, что она позволяет перенести теплообмен высокой интенсивности от генератора СВЧ к удаленному радиа­ тору, где плотность теплообмена значительно меньше. При использовании жидкостного охлаждения перед хра­ нением или транспортировкой приборов необходимо уда­ лить из них охладитель, чтобы избежать повреждения лампы или элементов системы охлаждения.

Вышеизложенное относится главным образом к маг­ нетронам мощностью 1—2 кет, применяемым в СВЧ-печах

и плитах. В настоящее время имеются магнетроны У Л 160, Ь-3858, ОЬ-6787, 55125, ВМ-25Ц ЕМ-15БЗ, которые наряду с другими приборами, находящимися в разра­ ботке, позволяют удовлетворить потребности промышлен­ ных и торговых предприятий в источниках мощности СВЧ. Данные, приведенные в табл. 1, ясно показывают, что выходная мощность зависит от рабочего напряжения. Из формулы (1) видно, что эта зависимость является след­ ствием увеличения размеров анодного блока при фикси­ рованном числе резонаторов. Увеличение числа резона­ торов также позволяет повысить уровень мощности. Про­ порциональное возрастание мощности получается и при увеличении длины анодного блока до тех пор, пока в анодном блоке не возникают продольные виды колебаний. В магнетроне Бута [71 специальное нагружение продоль­ ных видов колебаний дает возможность управлять ими. В таком магнетроне длина анодного блока может значи­ тельно превышать половину длины волны, что недопу­ стимо для правильно рассчитанных магнетронов со связ­ ками и тем более для коаксиальных магнетронов. Но обыч­ но размеры коаксиальных магнетронов на частоты 915 и 2450 Мгц оказываются слишком большими для практиче­ ских применений, потому что стабилизация вида колеба­ ний в них осуществляется не связками, а большим внеш­ ним коаксиальным резонатором, связанным с каждым вторым резонатором. Возможно, целесообразнее исполь­ зовать более сложные структуры, аналогичные замедляю­ щим системам, которые используют в амплигронах, но это стоит делать при условии, что применение таких структур в магнетронах будет экономичнее, чем в' амплнтроиах.

V. Конструирование источников питания для установок СВЧ-нагрева

Для магнетронов, используемых в установках СВЧнагрева, требуется энергия для питания цепи накала, анодной цепи и создания магнитного поля. Многие из­ готовители таких магнетронов поставляют их только вместе с источником питания. Таким образом, все пробле­ мы совместимости и надежности решает сам изготовитель магнетронов, который гарантирует работу всех элемен-

тов*СВЧ-установки, выполняемой в соответствии с требо­ ваниями заказчика. Такое положение оправдывается тем обстоятельством, что промышленность бытовых приборов не обладает достаточным опытом в области СВЧ-техники.

Нелинейность входных характеристик магнетронов видна из фиг. 2—7. Из-за этой нелинейности, а также из-за стремления сделать установки пригодными для работы при различных напряжениях в источник анодного пита­ ния включают какие-либо средства поддержания постоян­ ного уровня анодного напряжения при изменении напря­ жения сети в широких пределах.

От выбора источника питания и средств стабилизации может также зависеть устойчивость вида колебаний магне­ трона или степень повреждений, вызываемых перескоком на другой вид колебаний, если таковой все же происхо­ дит. При фиксированном магнитном поле В (например, в магнетроне с постоянным магнитом) источник питания с неизменным током при перескоке даст увеличение напря­ жения на входе; в то же время источник неизменного на­ пряжения в аналогичных условиях уменьшает ток до нуля. Однако для источников со стабилизацией напряже­ ния характерно некоторое завышение режима, если маг­ нитное поле несколько ниже номинального. Такое сни­ жение магнитного поля не является редкостью (например, за счет некоторого размагничивания постоянных магни­ тов), и поэтому источники питания со стабилизацией толь­ ко по напряжению не используют. Реальные источники питания занимают промежуточное положение между дву­ мя рассмотренными крайними случаями, и нужно тща­ тельно исследовать каждый из них на предмет его пове­ дения при изменении вида колебаний.

Существует три различных варианта источников пи­ тания: 1) самовыпрямляющая схема питания на пере­ менном токе, 2) двухполупериодное выпрямление без фильтрации и 3) схема питания выпрямленным током с фильтрацией. Сравнивая характеристики этих вариантов и, в частности, их надежность и общую стоимость (вместе с эксплуатационными расходами), обычно отдают пред­ почтение второму варианту. Выбор второго варианта, а не первого, обусловлен тем фактом, что во втором случае отношение пикового значения тока к среднему меньше.

Благодаря этому снижаются требования к эмиссии и уменьшается вероятность ВЧ-искреиий в дверных кон­ тактах и обрабатываемых продуктах, имеющих неодно­ родность по г' Третий вариант не будет рассматриваться, так как он не обеспечивает возможности выхода магне­ трона из неосновного вида колебаний, когда произошел перескок.

Вопрос выбора средств стабилизации нельзя отрывать от выбора схемы источника питания. Так, например, схема управления на кремниевых управляемых вентилях позволяет уменьшить часть периода, в течение которого магнетрон потребляет ток. В такой схеме регулируется средний ток магнетрона, а пиковое значение не ограни­ чивается, что требует большего разделения видов коле­ баний, чем в случае использования ферромагнитного ста­ билизатора н постоянных магнитов для стабилизации пикового и среднего токов. Последовательное включение магнетрона и электромагнита со своим источником пи­ тания и без него имеет свои особенности, с которыми

чаемых при увеличении анодного напряжения от нуля до точки Л, соответствующей нормальной нагрузке (дви­ жение в направлении стрелок). Затем если нагрузка по­ степенно изменяется так, что достигаются к. с. в. н., равный 4, и фаза «нагрузки», то рабочая точка переме­ щается в Л', и при дальнейшем росте 6/а в системе наблю­

стикой источника питания, разделением видов колебаний магнетрона и магнитным полем). Если теперь напряже­ ние уменьшается, то магнетрон продолжает генерировать на виде р = (N/2) — 1 вплоть до точки после чего происходит обратный перескок на я-вид в точку Е , по­ ложение которой также определяется тремя названными выше факторами; далее генерация продолжается на я-виде до точки Р, где происходит срыв колебаний.

Для дальнейшего рассмотрения отдельных диаграмм фиг. 15 удобно обратиться к фиг.^14, где характерные

ки В , но под влиянием межэлектродных емкостей реаль­ ная характеристика на этом участке достигает некоторой точки С. Колебания вида р = (N/2) — 1 будут продол­ жаться до тех пор, пока ие расплавятся связки или не упадет эмиссия под действием избыточной обратной бом­ бардировки, что ведет к выходу магнетрона из строя. Чтобы этого не произошло, анодное напряжение должно быть достаточно быстро снижено до уровня ^ , после чего произойдет обратный перескок на я-вид в точке Е. При

же процесса в случае, когда магнитное поле, создаваемое электромагнитом, меняется пропорционально га. Когда напряжение достигает точки Р' (фиг. 14), возникают колебания я-вида, которые продолжаются до точки А (фиг. 15, б), затем до точки Л' к В и С' [положение этих точек определяется нагрузочной характеристикой источ­ ника питания и кривой напряжения (линией Хартри) вида р = (N/2) — 1 для случая, когда магнитное поле В изменяется пропорционально га]. Как и ранее, магнетрон продолжает генерировать на паразитном виде колебаний до тех пор, пока анодное напряжение ие будет уменьшено до уровня О' (фиг. 14), где колебания [{N12) — 1]-вида прекращаются и магнетрон снова начинает генерировать колебания я-вида (точка Е, фиг. 14) и т. д.

Потери энергии, обусловленные протеканием тока в период, пока напряжение не достигло уровня Рг, можно предотвратить введением небольшого магнитного поля «смещения». На диаграмме фиг. 15, ^показана вольтамперная характеристика, которая получается при наличии такого поля смещения, создаваемого постоянным магни­ том. В качестве примера на фиг. 3 приведены рабочие ха­ рактеристики магнетрона, в схеме питания которого (фиг. 17) используется изолированный от земли парал­ лельный источник питания, создающий необходимое поле смещения. Схема действует таким образом, что при до­ стижении рабочего режима смещение отключается.

Из представленных на фиг. 15 кривых можно сделать вывод: питание магнетрона выпрямленным напряжением с фильтрацией допустимо только при условии, что источ­