книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление
.pdfник питания имеет низкое выходное сопротивление или же в нем имеются какие-либо средства, отключающие
питание при малом токе 1а или большом |
Только тогда |
входная мощность при работе на виде р = |
(N/2) — 1 будет |
ограничена и не вызовет необратимых повреждений. Если же конструктор не хочет усложнять схему сред
ствами автоматики и использует источник питания с двухполупериодным выпрямлением, то нужно иметь в виду, что, как следует из фиг. 15, б и в , колебания вида р = = (N/2) — 1 в схеме со стабилизацией тока магнетрона последовательно включенным электромагнитом будут су ществовать значительно большее время (в сравнении со схемой с постоянным магнитом и независимой стабили зацией). Колебания [(N/2) — 1]-вида будут существовать в первой схеме при более низком анодном напряжении. Таким образом, магнетроны, включаемые по схеме с по следовательным электромагнитом, более подвержены по вреждениям при перескоках, и для таких схем их нужно делать более стойкими против указанных выше явлений, сопровождающих перескок. Диаграмма фиг. 15, в пока* зывает, как можно повысить к. п. д. схемы стабилизации электромагнитом, если исключить протекание предгене-
рационного тока (ниже точки Р' на фиг. |
15, б). |
Источник питания, схема которого |
приведена на |
фиг. 16, разработан совсем недавно. В |
этом источнике |
питания имеется высоковольтный трансформатор и схема удвоения напряжения на конденсаторах; при напряжении сети в пределах от 105 до 130 б выходная мощность магне трона составляет около 1 кет. Реле перенапряжения поз воляет продлить срок службы контактов рабочего реле благодаря тому, что оно уменьшает пусковой .ток транс форматора при включении.
В настоящее время наиболее экономичными средствами стабилизации входных параметров магнетронов с выход ной мощностью менее 2,5 кет можно считать ферромаг нитные стабилизаторы (фиг. 16), а для создания магнит ного поля целесообразно использовать постоянные маг ниты. На более высоких уровнях мощности стоимость ферромагнитных стабилизаторов и постоянных магнитов превышает стоимость электромагнита, управляемого анод ным током. Схему независимого управления электромаг
нитом можно рассчитать так, чтобы обеспечить на входе магнетрона ток постоянной величины или постоянную мощ ность или же ограничить ток источника питания. По-ви димому, нетрудно сделать постоянную времени цепи пи тания большой относительно периода сетевой частоты и, таким образом, обеспечить работу магнетрона в квазипостояниом магнитном поле, что будет способствовать
Ф и г . 16. Схема однофазного источника питания для магнетронов с постоянными магнитами.
Дежурный накал магнетрона 5 в, рабочий режим 3,5 в.
повышению устойчивости магнетрона к перескокам и даст возможность без больших дополнительных затрат регу лировать мощность, меняя магнитное поле электромагни том.
У схемы независимого питания электромагнита имеет ся еще одно дополнительное преимущество. Когда элек тромагнит включают последовательно с магнетроном, то каждый период на нем, как на индуктивности, наводится значительное напряжение. Если же электромагнит пи тается от независимого регулирующего устройства, то пиковые напряжения можно сделать очень малыми, что
позволяет создать более экономичную конструкцию и повысить надежность системы.
Схема, представленная на фиг. 17, служит примером практически удобного и экономичного источника питания. Анодное напряжение берется с двухполупериодного мо стового выпрямителя. К вторичной обмотке со средней
Земля Шасси
Ф и г . 17 Схема однофазного источника питания для магнетронов с электромагнитами.
точкой подключены два диода, через которые подается регулируемое магнитное смещение, препятствующее про теканию анодного тока при напряжениях ниже 4 кв. Связь между источником питания и источником магнит ного смещения обеспечивает некоторую компенсацию тока смещения анодным током, благодаря чему улучшается последовательная стабилизация (фиг. 3). Анодный ток получается почти постоянным, и тем самым повышается надежность работы при больших значениях к. с. в. и.
Для питания более мощных установок приходится переходить от однофазной сети к трехфазной. Обычно при мощностях 5 кет и выше чаще используют трехфаз ное питание, что значительно сокращает эксплуатацион ные расходы. Как уже говорилось выше, при таких мощ ностях использование электромагнитов дешевле, чем ис пользование постоянных магнитов, поскольку электро магнит дает возможность стабилизации подводимой к маг нетрону мощности в течение интервалов, превышающих несколько периодов сетевой частоты. Но если магнетрону нужно дать возможность выхода из режима генерации на виде р = (N/2) — 1 (в случае, когда произошел пере скок), то необходимо, чтобы источник питания имел схему однополуперйодного выпрямителя без фильтрации и чтобы напряжение питания снижалось ниже уровня точки й на фиг. 15, а. Трехфазные источники питания обычно имеют низкое динамическое сопротивление, так что точка С может находиться при существенно более низком напряжении. Кроме того, в случае работы магне трона с трехфазным источником питания можно не при менять последовательно включенного электромагнита, по
тому |
что в силу изложенного тенденция к перескоку и |
так |
не проявляется. |
Импульсы анодного тока содержат много гармоник. |
На фиг. 17 и 18 показаны фильтры в катодной цепи, назна чение которых состоит в том, чтобы блокировать помехи на частотах телефонии и связи. Экранирование позволяет в основном ограничить областью внутри экрана корон ные явления, вызываемые высокими напряжениями. Кро ме того, экран не допускает распространения СВЧ-гар- моник и паразитных сигналов, генерируемых магнетро ном и излучаемых через его катодную ножку.
Мощность, необходимую для нагрева катода, т. е. мощность накала, можно получить от обычного накаль ного трансформатора. Часто после подачи рабочего на пряжения необходимо уменьшить эту мощность накала, чтобы не допустить перегрева катода под действием об ратной электронной бомбардировки. При работе с магне тронами мощностью более 5 кет было установлено, что долговечность магнетрона существенно увеличивается, если для управления мощностью накала используется
автоматический мостик, позволяющий избежать повреж дения катода вследствие перегрева. Во всяком случае,
' © |
О |
О |
0 ) ' |
0 |
О |
О |
0) |
у______ ,__ г—
та
Ф и г . 18. Магнетрон (2К-707А.
Показаны фильтры в цепи накала. Волновод обозначен штриховой линией.
необходимо быть уверенным в том, что при эксплуатации установки катод не будет повреждаться слишком боль шими токами, текущими через него в моменты включения
накала. Обычно величину этих токов можно ограничить, используя накальные трансформаторы с большим рассея нием.
VI. Перспективы развития магнетронов для СВЧ-нагрева
Где проходят границы эффективного применения маг нетронов? По-видимому, ответ на этот вопрос лучше всего искать в уравнениях, устанавливающих соотношения между основными параметрами магнетрона. Из этих урав нений и анализа тепловых потоков следует, что обычные лопаточные магнетроны со связками теоретически спо собны отдавать мощность 25 кет в 10-сантиметровом диа пазоне и 100 кет в дециметровом (Ь) диапазоне при ра боте одной лампы на нагрузку с высоким значением к. с. в. н. Если же фаза нагрузки не меняется, то эти* предельные значения можно удвоить. Указанные преде лы можно превысить, если использовать магнетрон Бута с длинным анодом [7] или магнетроны с более слож ными анодными блоками.
Проблемы, связанные со стабильностью систем, ко торые до сих пор не удавалось разрешить полностью, ограничивали военные применения сверхмощных магне тронов. Но поскольку сейчас конструкции магнетронов, применяемых в военной технике, уже обеспечивают до статочно высокую стабильность, некоторые из этих проб лем, казалось бы, должны быть решены. На современ ном же этапе развития все еще ощущается недостаточная целенаправленность разработок сверхмощных магнетро нов. Тем не менее, как было показано, параллельная работа нескольких^ мощных генераторов СВЧ дает ряд преимуществ по сравнению с одиночным генератором.
1. Каждый генератор может работать без синхрони зации. Множество генераторов можно включить так, чтобы связь между ними была минимальной (необходи мое условие при несинхронной работе).
2. Снижается начальная стоимость и расходы по эксплуатации источника питания, так как он состоит из менее мощных блоков и элементов, изготовляемых бодес
крупными сериями. Становится возможным уменьшить расходы, связанные со складским хранением, и свести к минимуму время простоя оборудования при замене отдельных блоков.
3. Наличие нескольких облучателей и несинхронная работа генераторов дают усреднение суммарных отраже ний, что приводит к высокой степени равномерности нагрева.
4. Энергия гармоник, генерируемых несколькими ге нераторами, распределяется в некоторой полосе частот; благодаря этому гармоники имеют значительно более низкий уровень и ими легче управлять, чем гармоника ми более мощного генератора.
5. Индивидуальным режимом таких генераторов мож но управлять с помощью фотоэлементов, обнаруживаю щих перерывы в подаче обрабатываемых изделий по кон вейеру. Автоматическое выключение и включение генера торов позволяют избежать излишних потерь энергии и предотвратить перегрев продукции.
Таким образом, разработчик оборудования в зависи мости от поставленной задачи может выбрать один из двух возможных вариантов: объединить относительно малое количество более мощных генераторов или же взять боль шее число менее мощных источников. В настоящее время, правда, на складах еще нет приборов всех возможных уровней мощности для разрешенных диапазонов частот, но можно ожидать, что растущий спрос приведет к запол нению всех имеющихся «вакансий».
Маловероятно, чтобы требования, выдвигаемые раз работчиками военного оборудования, способствовали ре шению проблем, ограничивающих уровень мощности сверхмощных магнетронов. Напротив, под давлением спроса на невоенное оборудование эти проблемы, возмож но, будут решены через несколько лет. Существует также много стимулов для решения проблемы работы при низ ких напряжениях, так как полная стоимость установки, по-видимому, пропорциональна напряжению, на которое она рассчитана. Когда удастся решить эти проблемы, появятся возможности создания еще более мощных магнетрон нь/х установок.
|
|
О б о з н а ч е н и я |
|
|
В — индукция |
магнитного поля; |
|
||
с — скорость |
света; |
|
|
|
с!к — диаметр |
катода; |
|
|
|
— диаметр |
анода; |
|
|
|
е — заряд |
электрона; |
|
|
|
е' — диэлектрическая |
проницаемость; |
|||
е" — коэффициент диэлектрических |
потерь; |
|||
/ — частота; |
|
|
|
|
Н— высота |
анодного |
блока; |
тока; |
|
— мгновенное значение анодного |
/а — средний анодный ток;
/м — средний ток электромагнита;
Кх — безразмерный |
коэффициент [1]; |
|
— длина |
волны колебаний те-вида; |
|
1р — длина |
волны |
колебаний р-вида; |
М — коэффициент пространства взаимодействия (по ве
личине близок к |
4); |
|
||
т — масса |
электрона; |
в анодной |
системе; |
|
N — число |
резонаторов |
|||
% — электронный |
к. п. д.; |
|
||
Рвых — средняя выходная мощность; |
р-вида те =-• N/2); |
|||
р — номер |
вида |
колебаний (для |
||
<?„ — нагруженная |
добротность магнетрона; |
Р— к. с. в. н. — коэффициент стоячей волны на пряжения;
/?,, — сопротивление нагрузки на выходе; /?ш — сопротивление, включенное на эквивалентной схе
ме параллельно |
электронному |
потоку; |
|
/пр — время прогрева |
катода; |
напряжения; |
|
— мгновенное значение |
анодного |
||
У3ь0 — анодное напряжение |
отсечки |
при заданных В , |
^ ^к* Увр — напряжение возбуждения те-вида;
АУ — разность напряжений С/в и Уао; Ц?и — мощность в цепи катода или подогревателя;
— характеристическое сопротивление резонаторной системы.
|
|
|
|
Л И Т Е Р А Т У Р А |
|
|
|
1. |
Н и 1 1 Л. Р., СгоззеЛ-Пе1Л е1ес!гоп ЫегасНоп о! 1Ье <Из1г1Ьи^е<1- |
||||||
|
егтззюп 5расе сЬаг^е ПтИеЛ 1уре, 1ЦЕ Тгапз. Е1ес(гоп Бевьсез, |
||||||
2. |
ЕО-8, № 4, рр. 309—323 (Ли1у 1961). |
|
|
|
|||
Н и 1 1 А. Л\^., |
Е!1ес1 оГ а ишГогт та^пеНс Пе1Л оп 1Ье тоНоп |
||||||
|
оГ е1ес*гопз Ъе1\уееп соах1‘а1 суНпЛегз, Ркуз. Рев., |
18, рр. |
31—61 |
||||
3. |
(Ли1у 1921). |
и з |
К.» ОзсШаИопз т а зрШ апоЛе та^пе^гоп, |
||||
Р о з I Ь и т |
|||||||
4. |
\Нте1е55 Еп&., 2, рр. 126—132 (МагсЬ 1935). |
|
|
||||
1 1 Ь и г |
Э. Р. |
(частное сообщение), 1947. |
|
|
|||
5. |
С о 1 1 1 п з |
О. В., |
М1сго\уауе Ма^пекопэ, М1Т Ра<Иаиоп ЬаЬ. |
||||
|
Зепез, 6, Ие\у Уогк, МсОга^-НШ, 1948, р. 23; есть русский пере |
||||||
|
вод: Магнетроны сантиметрового диапазона, М., «Советское ра |
||||||
6. |
дио», т. 1, 1950; т. 2, 1951. |
Д., |
Но\у 1оп^-Ппе |
||||
Н и 1 1 Л. Р., |
N о V а к С., С о г Л г а у |
||||||
|
еГГес! 1*гпра1гз 1ипаЫе гаЛаг, Е1ес1гошсз, рр. |
168—273 (РеЬ. |
1954). |
7.В о о 1 Н. А. Н., Ьопб апоЛе гпадпе1гопз, ш СгоззеЛ-Р1е1Л М|‘с- го\уауе Беущез (Е. Окгезз, еЛ.), у о 1 . 2, рр. 261—290, № \ у Уогк, АсаЛ. Ргезз, 1961; есть русский перевод: Электронные сверхвысо кочастотные приборы со срещенными полями, ИЛ, М., 1961, т. 2, стр. 236.
2.3.УСИЛИТЕЛИ СО СКРЕЩЕННЫМИ ПОЛЯМИ
2.3. 1. АМПЛИТРОН
Бр а у н
I. Введение
Амплитрон1) относится к классу приборов со скрещен ными полями. Разработка этого прибора [1—4] представ ляла собой первую успешную попытку получить полезное усиление на приборе со скрещенными полями и с замкну тым электронным потоком. По принципу действия амплитрон очень близок к обычному магнетронному генератору. В нем сохранены высокий к. п. д. и простота конструкции магнетрона, но вместе с тем появилось важное свойство — широкополосное усиление.
Первый разработанный амплитрон представлял собой импульсный прибор большой мощности. Такие амплитроны нашли широкое применение во многих военных и невоенных радиолокационных системах. Впоследствии было признано перспективным создание сверхмощного генератора на базе амплитрона, и. разработка такого ге нератора незатухающих колебаний [5] финансировалась министерством обороны США.
С точки зрения СВЧ-энергетики у амплитрона есть несколько особенностей, делающих его привлекательным для применений в качества источника энергии СВЧ.
Выпускаемые в настоящее время мощные |
амплитроны |
||
непрерывного |
действия имеют |
к. п. д. |
выше 70%. |
На частотах, |
представляющих |
интерес для |
СВЧ-энер- |
гетики, амплитрон способен отдавать в непрерывном режиме мощность в несколько сот киловатт. В нем исполь зуется охлаждаемый водой вторично-эмиссионный катод из платины, обладающий потенциально очень большой долговечностью. В амплитроне сочетаются широкая по лоса, хорошая фазовая линейность и малое электронное смещение фазы сигнала, что позволяет использовать его
х) Фирменное название фирмы «Рейтеон». В более ранней ратуре приборы этого типа назывались платииотронами.