книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот
..pdf30. Ш т е й н Н. И. Автогенераторы гармонических колебаний. Госэнергоиздат, 1961.
31.КО'В'аленко В. Ф. Введение в электронику сверхвысоких частот. Изд-во «Советское радио», 1955.
32.Б е р г А. И. Теория и расчет ламповых генераторов. Гос*
энергоиэдат, '1932.
33.Д р о б о в С. А. Радиопередающие устройства. Воениздат.
1951.
34.Н е й м а н М. С. Курс радиопередающих устройств, ч. 11.
Издчво «Советское радио», |
1958. |
воздействии |
на аетогенера |
|||
35. |
Е в т я н о в |
С. И. |
О внешнем |
|||
тор. «Радиотехника», 1956, И, № 6. |
|
|
||||
36. |
Х а ц к е л е в и ч |
В. А. Расчет режимов новых генераторных |
||||
триодов. Связьиздат, 1961. |
|
|
|
|||
37. |
G e r l a c h |
Р. |
Novelles Iriodes |
et tetrodes |
ccramique de |
|
puissance fonctionnat a tres haute frequence, L’Onde |
electrique, 1961. ‘ |
|||||
fevrier, № 407. |
|
|
|
|
|
33.Electronics, U962, '№ 10.
39.Electronic Design, 1961, Sept. 13, p. 130.
40.Phillips Technische iRtindschau, ,1960/61, № 2, S . 66—72.
41.Electronics, 1959, № 31
42Electronic® 1961, № 3.
ГЛАВА 3
ИМПУЛЬСНЫЕ МАГНЕТРОНЫ И ДРУГИЕ МОЩНЫЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ И УСИЛИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ
Магнетрон как электронный прибор СВЧ, в котором взаимодействие электронов с электромагнитным полем происходит в перекрещивающихся постоянных электри ческом и магнитном полях, известен более 35 лет. Удач ное сочетание электроники с колебательной системой позволило магнетрону стать одним из наиболее эффек тивных импульсных генераторов для применения в диа пазоне сантиметровых и миллиметровых золн. Особенно это относится к миогорезонаторным магнетронам, основ ные элементы современной конструкции которых были предложены М. А. Бонч-Бруевичем, Н. Ф. Алексеевым, Е. Д. Маляровым, В. П. Илясовым и рассмотрены в ра ботах [1—7]. Значительный вклад в теорию и практику магнетрона, применительно к задачам электроники боль ших мощностей, внесен П. Л. Капицей [33] и А. П. Федо сеевым.
Конструктивно магнетрон является несложным элек тронным прибором, представляя собой своеобразный вакуумный диод в магнитном поле, и имеет всего четыре
основных узла |
(рис. |
3.1): |
—' анодный |
блок |
с р е з о н а т о о н о й с и с т е м о й и устрой |
ством для отвода тепла /;
—катод с выводом высокого напряжения 2\
—вывод ВЧ энергии 3;
—магнитную систему 4.
Однако -при их изготовлении требуется высокая ме-. ханическая точность и технологическая культура, свой ственная производству всех электровакуумных приборов.
применений стабильность частоты, возможность получе ния очень больших уровней мощности в импульсном ре жиме работы, высокую эффективность на весьма корот ких длинах волн, вплоть до миллиметровых. Важным достоинством магнетронов по сравнению, например, с триодами СВЧ является то, что они сочетают в себе электронную лампу и колебательный контур, разработ кой и изготовлением которых не занимается конструк тор аппаратуры, а в процессе эксплуатации их не тре буется регулировка.
Наряду с этим импульсные магнетроны имеют ряд недостатков: узкую область устойчивой работы при из менении питающих напряжений и Сопротивления ВЧ на грузки, критичность к форме импульса модулирующего
напряжения, сравнительно |
небольшой срок службы. |
Эти недостатки создают |
значительные затруднения |
в процессе разработки и эксплуатации аппаратуры.
Импульсные многорезоиаториые магнетроны в основ ном являются узкодиапазонпыми приборами :и пракгически не допускают электронной перестройки частоты. За -последние годы созданы низковольтные магнетроны непрерывного генерирования с широким диапазоном электронной перестройки частоты и мощные широкопо лосные усилительные приборы магнетронного типа для импульсного и непрерывного режимов работы, получив шие название амплитронов.
Для решения задач резкого повышения стабильности частоты при достаточной широкополосности получили распространение мощные усилительные многорезонаторные клистроны и ЛБВ. Применение подобных приборов привело к построению передающих устройств по каскад ному принципу, увеличению их веса и габаритов й неиз бежному усложнению аппаратуры в целом.
В настоящей главе основное внимание будет уделено импульсным магнетронам, продолжающим оставаться с самого начала развития радиолокации наиболее рас пространенными автогенераторами для передающих устройств сантиметрового диапазона волн.
Благодаря своим достоинствам магнетроны привле кают к себе большое количество исследователей, зани мающихся изучением их свойств и построением теорииСледует заметить, что физические явления в магнетро нах достаточно сложны и далеко еще не изучены, инже-
95
нерному расчету поддаются лишь отдельные элементы и узлы магнетрона (например, резонаторная система, вы вод ВЧ энергии, магниты).
В целом электронные процессы, происходящие в маг нетронах, и расчет динамических характеристик сугубо ориентировочны. Практические конструкции магнетро нов создаются полуэмпирическим путем.
3.1. ПАРАМЕТРЫ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСНЫХ МАГНЕТРОНОВ. НЕОБХОДИМЫЕ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ПРИ ИХ ПРИМЕНЕНИИ
Электрические и эксплуатационные свойства магне тронов, как и любого электровакуумного прибора, до статочно подробно оцениваются совокупностью парамет ров и характеристик, которые составляют основные тех нические данные приборов, учитываемые при проекти ровании приборов, контролируемые в процессе произ водства и являющиеся отправными при применении магнетронов в аппаратуре.
Для определения возможности использования маг нетрона конструктор должен рассматривать соответст вие параметров и характеристик магнетрона требова ниям, предъявляемым к аппаратуре.
Под параметрами магнетрона будем понимать такие их показатели, которые сохраняют определенные значе ния в строго заданных режимах и условиях работы.
К числу обязательных электрических параметров импульсных магнетронов, учитываемых при использова нии магнетрона в аппаратуре, относятся:
—выходная мощность в импульсе;
—длительность и частота следования импульсов;
—диапазон частот генерируемых колебаний;
—скорость перестройки частоты (для перестраивае мых магнетронов);
—затягивание частоты;
—электронное смещение частоты;
—температурный коэффициент частоты;
—анодное напряжение;
—коэффиционт полезного действия.
Длямагнетронов, предназначенных к использова нию в аппаратуре с селекцией движущихся целей (СДЦ) или имеющих кодовый режим работы, необходимо учи тывать дополнительные параметры:
96
—разброс частоты от импульса к импульсу;
—разброс времени («дрожание») фронта импульса;
—динамическое сопротивление;
—число импульсов в пакете кода;
—(частоту повторения импульсов в пакете;
— общую длительность импульсов в пакете.
Режим работы импульсных магнетронов, при кото ром определяются параметры, характеризуется:
—напряжением и током накала;
—анодным током;
—крутизна фронта, скосом плоской части, выброса
ми на плоской части и спадом импульса напряжения;
—сопротивлением ВЧ нагрузки (КСВ и фазой от раженной волны);
—температурой анодного блока или окружающей
среды;
—давлением окружающей среды.
Важным критерием оценки работоспособности магне тронов является ширина и форма спектра генерируемых колебаний.
Наиболее полно свойства магнетронов описываются следующими характеристиками:
—рабочей;
—«нагрузочной;
—накальной;
—вибрационной.
Под рабочей характеристикой магнетрона понимает ся семейство кривых зависимости анодного напряжения Ua от тока / а при постоянных значениях напряженности магнитного поля Н, выходной мощности Р, коэффициен та полезного действия ц и частоты f, снятых при рабо те ■магнетрона «а согласованную ВЧ нагрузку (КСВ < 1,1). .Рабочие характеристики импульсных магнетронов имеют вид, приведенный на рис. 3.2.
Данная характеристика имеет четыре ярко выражен ные области:
—область устойчивой работы /;
—область отсутствия генерации //;
—область неустойчивой работы ///;
—область искрений IV.
Отсюда видно, что в эксплуатационных условиях стабильность, а следовательно, и надежность магне тронного генератора будут высокими, если его рабочая
7—124 |
97 |
точка выбрана ближе к центру устойчивой области ра бочей характеристики.
На рис. 3.2 не показаны зависимости частоты от ре жима и так называемые кривые электронного смеще ния частоты, которые в ряде случаев приводятся в виде самостоятельных характеристик.
иа,кв
к л
Рис. 3.2 Типичная рабочая характеристика импульсных магнетронов (Я 1> Я 2> Я 3> ...,
Р 1> Р 2> Р 3> ..., T1,>T12>113>..., К С В < 1 ,1 ).
На рис. 3.3 приведено несколько зависимостей часто ты от изменения тока магнетронов с наиболее распрост раненным ходом этой зависимости /, с аномальным поведением II и с провалом на характеристике III. По следняя зависимость свойственна магнетронам, имею щим катоды с резко ухудшенной эмиссионной способ ностью или перекошенные по отношению к резонатор ной системе. Магнетроны с провалами иа характеристи-
Рис. 3.3. Зависимость частоты и крутизны электронного смещения частоты от измене ния анодного тока для различных магне тронов (заштрихованная область характе ризует рекомендуемые для эксплуатации
пределы изменения анодного тока).
7* |
99 |
|
ке не обеспечивают устойчивой работы и имеют сильно искаженную форму спектра генерируемых колебаний
в точках, где производная J r достигает большой вели
чины или резко меняет свой знак.
Из рабочих характеристик и кривых электронного смещения частоты видно, что с учетом изменения питаю щих напряжений, допустимых для аппаратуры, пределы изменения напряжения и анодного тока импульсных ма гнетронов невелики.
В процессе эксплуатации, особенно после длительно го хранения или перерыва в работе, вакуум в магнетро не может значительно ухудшиться за счет газовыделений и диффузии газа внутрь магнетрона- В связи с этим необходима тренировка магнетрона путем подачи на магнетрон пониженного анодного напряжения, посте пенно повышаемого до номинального значения. Мини мальное значение анодного напряжения и тока должны выбираться такими, чтобы обеспечивалась устойчивая работа магнетрона.
Нагрузочная характеристика магнетрона представ ляет собой семейство кривых постоянных значений вы ходной мощности и частоты генерируемых колебаний, построенных в плоскости полного комплексного сопротив ления (КСВ или коэффициента отражения и фазы от раженной волны). Эта характеристика приводится для определенного режима работы магнетрона (по величине анодного напряжения или тока).
Для мощных и сверхмощных магнетронов нагрузоч ные характеристики обычно снимаются в облегченном режиме при малых уровнях мощности. В полярной си стеме координат, на круговой диаграмме полного ком плексного сопротивления, нагрузочные характеристики магнетрона имеют вид, показанный на рис. 3.4. В де картовой системе координат нагрузочные характеристи ки, иногда называемые фазовыми характеристиками, могут быть представлены раздельно для выходной мощ ности Р и частоты / в виде кривых, приведенных на рис. 3.5.
Обычно в технической документации и справочниках дается значение степени затягивания частоты Д/^з при КСВ = 1,5 и полном изменении фазы отраженной вол ны. При любых других значениях КСВ (менее 1,5 и 100
даже несколько более 1,5), если магнетрон не попадает в область неустойчивой работы, уход частоты может быть приближенно определен расчетным путем по фор муле
|
|
(3.1) |
где ki — значение КСВ в передающей |
линии аппара |
|
туры, измеренное при высоком уровне мощности. |
||
Таким |
образом, по мере увеличения КСВ уходы |
|
частоты м |
мощности увеличиваются, а |
при некоторых |
значениях КСВ и фазы отраженной волны в передаю щей линии может наблюдаться неустойчивая работа. Все это указывает на то, что наиболее благоприятная рабо та магнетрона может .быть обеспечена при работе на согласованную ВЧ нагрузку.
Если магнетрон и нагрузка соединены длинной ли нией, размеры которой намного превышают длину вол ны в линии ( £ > Яп), то может иметь место так назы ваемый эффект длинной линии, выражающийся в скач ках частоты, неоднозначности настройки частоты, рез ких искажениях спектра генерируемых колебаний и да же полных срывах работы магнетрона. Этот эффект особенно проявляется у магнетронов с перестройкой частоты. На рис. 3.6 приведены зависимости изменения частоты от изменения положения механизма перестрой ки магнетрона для различных значений КСВ нагрузки, расположенной от магнетрона на удалении, при котором сказывается эффект длинной линии.
На рис. 3.6,а и б приведены случаи, когда рассогла сования линии незначительны и размеры длины линии не приводят к неустойчивой работе магнетрона. На рис. 3.6,в представлен случай недопустимого влияния эффекта длинной линии на работу магнетрона. Здесь имеют место разрывы и скачки частоты в диапазоне пе рестройки при некотором положении механизма пере стройки си и ia2. Так, из точки А наблюдается скачок ча стоты в точку В, а при последующем возвращении ме ханизма настройки из положения <ц в а2 происходит ска* чок из С в точку D. Следует заметить, что удаление то чек А и С по частоте возрастает по мере увеличения как КСВ, так и длины линии.
1Q1