книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.В г о \у п ХУ. С., Безспр(юп апё орега(т& сЬагас(епз(1сз о! (Не р1а(то(гоп, Ргос. 1#Е, 45, рр. 1209—1222 (Зер1. 1957).

2 3. 2. УСИЛИТЕЛИ МАГНЕТРОННОГО ТИПА

Ф а р н и , М а к-Д а у э л л

I. Введение

Усилитель магнетронного типа представляет собой прибор СВЧ, который преобразует мощность постоян­ ного тока в мощность СВЧ, используя процесс преобразо­ вания*, аналогичный тому, который имеет место в обыч­ ном магнетроне. К этому типу относится много видов магнетронных усилителей. Среди них выделяются два основных вида, развитие которых достигло более высо­ кой ступени и которые имеют наибольшее практическое значение. Эти приборы отличаются в основном способом введения электронного потока для осуществления про­ цесса взаимодействия в скрещенных полях. В одном из них, известном как магнетронный усилитель с инжекти­ рованным лучом, требуемый ток создается и управляется электронной пушкой, расположенной вне пространства взаимодействия. Электронный луч вводится в простран­ ство взаимодействия подобно тому, как это осуществляется в обычной лампе бегущей волны. Пространство взаимо­ действия расположено между замедляющей системой и противолежащим отрицательным электродом. В усили­ теле первого вида отрицательный электрод не является эмиттером. В усилителях второго вида, получивших

Фи г . 1. Классификация магиетронных уси

ративное усиление и очень высокий к. п. д. усилителя. Усиление и ширина полосы амплитрона имеют умерен­ ные значения. Если в целях повышения усиления и рас­ ширения полосы каким-либо способом исключить реге­ неративную обратную связь по электронному потоку, то можно получить более общую форму магнетронного

Ф и г . 2. Схематическое изображение цилиндрического и плоского магнетронных усилителей с эмиттирующим отрицательным элек­

тродом.

усилителя с эмиттирующим отрицательным электродом и замкнутым электронным потоком [1]. Сохранение зам­ кнутости электронного потока позволяет получать высо­ кий к. п. д.

На фиг. 2, а схематически изображен цилиндрический магнетронный усилитель с замкнутым электронным по­ током и эмиттирующим отрицательным электродом. В усилителе имеется область, называемая «пространством дрейфа», которая расположена между входом и выходом замедляющей системы. В этой области отсутствует замед­ ляющая система и действуют только электростатическое и магнитное поля. Под влиянием сил пространственного заряда в этой области происходит разгруппировка «спиц»

вращающегося электронного потока. Вследствие расфо­ кусировки электронных спиц пространственного заряда исключается эффект регенеративного усиления под дейст­ вием электронной обратной связи, однако продолжает действовать механизм неоднократного протяженного взаи­ модействия между волной в замедляющей системе и электронами, которые прошли лишь часть расстояния между катодом и анодом. Этот механизм объясняет воз­ можность достижения в усилителях с замкнутым элек­ тронным потоком более высокого к. п. д.,.чем в усилите­ лях с незамкнутым потоком. Пространство дрейфа конст­ руируют, кроме того, так, чтобы не допустить прямого прохождения СВЧ-энергии с выхода на вход и тем самым избежать возможности регенерации с этой стороны. Исключение регенеративной обратной связи позволяет использовать замедляющие системы большей электриче­ ской длины, не снижая при этом широкополосности. Более длинные замедляющие системы дают возможность повысить к. п. д. и получить более высокую выходную

готовлены с замедляющими системами как прямой, так и обратной волны; при одинаковых анодных напряже­ ниях замедляющая система, работающая на прямой волне, более широкополосна.

Магнетронные усилители с эмигрирующим отрицатель­ ным электродом в сравнении с другими СВЧ-приборами обладают уникальными свойствами. Они могут работать с холодным (т. е. бесподогревным) катодом и не нуждают­ ся в термоэлектронной эмиссии. Пока по замедляющей системе не распространяется СВЧ-волна, ток через отри­ цательный электрод не течет, даже если между отрица­ тельным электродом и анодом действует полное рабо­ чее напряжение. Ток через отрицательный электрод появляется только в присутствии СВЧ-волны. Точный механизм запуска усилителя до конца не изучен, но экспе­ рименты подтвердили высокую надежность процесса за­ пуска. Если бы с окончанием действия ВЧ-сигнала на входе прекращалось протекание тока, то усилитель пол­ ностью управлялся бы ВЧ-сигналом. С целью достиже­ ния такого весьма желательного свойства были выполне­

ны обширные исследования. Наиболее успешными оказа­ лись эксперименты, проведенные недавно на плоском магнетронном усилителе с эмиттирующим отрицательным электродом и с незамкнутым электронным потоком [2]. Схематически этот прибор изображен на фиг. 2, б. Поток, не попавший на анод после прекращения ВЧ-сигнала на входе, удаляется из пространства взаимодействия. Этот поток попадает на коллектор и исключается из процесса взаимодействия. Эмиссия отрицательного электрода воз­ никает снова только тогда, когда на вход прибора по­ ступает следующий ВЧ-сигнал. Подобное же управление током эмиссии при помощи ВЧ-сигнала получается и в магнетронных усилителях с замкнутым электронным по­ током, но надежность прекращения тока после оконча­ ния входного ВЧ-сигнала оказывается низкой. Возмож­ ность протекания тока обусловлена продолжающейся обратной бомбардировкой отрицательного электрода элек­ тронами замкнутого электронного потока. Усилитель в этом случае генерирует паразитные сигналы после окончания входного ВЧ-сигнала. Генерируемые паразит­ ные сигналы могут иметь вид широкополосных шумов, распределенных в полосе частот лампы, или форму колеба­ ний на некоторой частоте, где имеет место плохое согла­ сование между замедляющей системой, входной и вы­ ходной линиями.

Во многих применениях желательно сохранить в маг­ нетронном усилителе замкнутый электронный поток, так как это способствует повышению к. п. д. прибора. По этим соображениям был предложен другой способ «пре­ кращения» тока в усилителе с замкнутым потоком. Соглас­ но этому способу, прекращение тока производится управ­ ляющим электродом. Этот электрод монтируется в узле катода или отрицательного электрода, электрически изо­ лирован от них и расположен в области дрейфа усилителя (фиг. 2, а). При нормальной работе усилителя потенциал управляющего электрода делают равным потенциалу от­ рицательного электрода, но в момент окончания входного ВЧ-сигнала на управляющий электрод подается импульс, положительный относительно отрицательного электрода или катода. Когда вращающийся электронный поток проходит пространство дрейфа, он перехватывается управ*

ляющим электродом и поток становится разомкнутым. Полный перехват и прекращение анодного тока происхо­ дят за время одного оборота потока вокруг катода, кото­ рое обычно составляет 10—20 периодов высокой частоты. Момент подачи «гасящего» импульса совпадает с оконча­ нием входного сигнала, и благодаря этому паразитные сигналы на выходе усилителя не появляются. Напряже­ ние этого управляющего импульса, необходимое для пол­ ного прекращения тока, должно составлять обычно х/3—*/5 часть анодного напряжения. Обратную величину этого отношения называют «мю» управляющего электрода и используют как «показатель качества» управляющей функ­ ции.

вакуумным прибором, невелика.

Возможность высокочастотного запуска магнетрон­ ных усилителей с холодным катодом позволяет по-новому конструировать СВЧ-передатчики. В качестве важного примера следует указать на упрощение модуляции вы­ ходных каскадов импульсных передатчиков. В простых импульсных передатчиках, как и в случае применения магнетронов, можно использовать модуляторы линей­ ного типа на «мягких» лампах. В других случаях приме­ нения при «запуске» входным ВЧ-сигналом магнетрон­ ный усилитель сам обеспечивает «включение» и «выклю­ чение» энергии источника питания, требуемой для полу­ чения ВЧ-мощности на выходе усилителя. Тем самым исключается необходимость в весьма сложных модулято­ рах, что особенно существенно, когда для модуляции используются сложные последовательности импульсов (кодовые режимы.— Прим. ред.). При использовании усилителей с холодным катодом и незамкнутым электрон­ ным потоком можно совсем исключить модулятор, а в случае таких же усилителей с замкнутым потоком доста­ точно воспользоваться очень простым и маломощным мо­

дулятором для управляющего электрода. Такого рода упрощения дают особые преимущества в тех примене­ ниях, где несколько рассматриваемых приборов вклю­ чают параллельно, например в РЛС с фазированными антенными решетками (см., например, т. 3, разд. 5.3.1— 5.3.4).

Чтобы получить устойчивое ВЧ-возбуждение тока отрицательного электрода, магнетронные усилители с хо­ лодным катодом, имеющие замкнутый или незамкнутый поток, конструируют как «прозрачные» СВЧ-усилители: т. е. их делают без какой-либо внутренней нагрузки или разрывов замедляющей системы, которые характерны для многих ЛБВ и служат для поглощения ВЧ-мощности, отраженной от нагрузки. В нашем приборе СВЧ-сигналы распространяются по замедляющей системе в любом на­ правлении и ослабляются лишь на малую величину за счет собственных вносимых потерь замедляющей системы. Такая «прозрачность» при недостаточном согласовании с нагрузкой и источником сигнала может привести к воз­ никновению генерации. Генерации удается избежать, если усилители используются в режиме, близком к на­ сыщению, и усиление ограничивается уровнем не выше 20 дб. Вместе с тем прозрачность этих усилителей позво­ ляет реализовать новые принципы конструирования СВЧпередатчиков. В многоцелевых РЛС, которые должны работать на различных уровнях выходной мощности, такие изменения уровня мощности легко осуществлять, используя прозрачный выходной усилитель. Так, работа на низком уровне достигается пропусканием сигнала непосредственно через «холодный» (невключенный) вы­ ходной усилитель, а при включении усилителя получается работа на высоком уровне выходной мощности. С другой стороны, отраженные сигналы, проходящие с выхода прозрачного усилителя на его вход, могут накладывать­ ся на входной сигнал и вызывать изменения в эффектив­ ной фазе и амплитуде входного сигнала. Суммарный эф­ фект усиления такого измененного входного сигнала и его изменение с частотой могут привести к искажениям фазочастотной характеристики усилителя по сравнению со случаем работы усилителя на согласованную нагруз­ ку [3].

том, что в нашем случае связки разрезаны для того, чтобы ввести в них последовательную емкостную нагрузку. Такая модификация превращает нашу систему в систему прямой волны. В некоторых вариантах действующих при­ боров стержни замедляющих систем выполнены в виде трубок, что позволяет пропускать непосредственно через них охладитель и тем самым повысить допустимый предел по средней мощности. Стержень большого диаметра, вы­ ступающий на фиг. 3 вправо, является входным коак­ сиальным элементом связи с замедляющей системой. Второй стержень большего диаметра выполняет функции выходного коаксиального элемента связи и выступает с противоположного торца системы. Три расположенных между ними стержня образуют пространство дрейфа. Эти три стержня не соединены связками и поэтому не явля­ ются частью замедляющей системы. Узел бесподогревного катода изображен на фиг. 4, где хорошо виден управ­ ляющий электрод. В данном случае холодный катод вы­ полнен из чистого алюминия, хотя можно использовать .и другие материалы. Управляющий электрод имеет корыто­ образную форму специально для того, чтобы внести мест­ ное возмущение в электрическое поле между катодом и анодом и тем самым усилить разгруппировку пространст­ венного заряда в области дрейфа.

Усилитель в собранном виде показан на фиг. 5. Пер­ воначально эти усилители предназначались для фази­ рованных антенных решеток, где они должны были раз­ мещаться в матрице постоянных магнитов на расстоянии в половину длины волны друг от друга. Поэтому на фиг. 5 прибор показан без внешнего постоянного магнита.

Рабочие характеристики усилителя $РТ)-212 построе­ ны на фиг. 6, где выходная мощность представлена в за­ висимости от частоты для двух значений ВЧ-мощности на входе. При входной мощности 1 кет анодное напряжение было взято равным 8,2 кв. При таких анодном напряже­ нии и входной ВЧ-мощности получается близкое к режи­ му насыщения усиление, равное 19—20 дб. При входной мощности 5 кет анодное напряжение было повышено так, чтобы усиление вблизи насыщения составляло около 15 дб. Цифры около экспериментальных точек указывают величину к. п. д. усилителя в процентах. Прибор 8РО-212