Файл: Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие.pdf

к аноду, а электроны, ускоряемые полем, возвращаются сра­ зу на катод и далее не участвуют в процессе взаимодействия с полем.

Группирование связано с влиянием нормальной (или ра­ диальной) составляющей поля бегущей волны. Электроны, находящиеся под сегментом, обладающим положительной величиной переменной составляющей потенциала (сегмент между резонаторами / и // на рис. 20), получают дополни­ тельное увеличение тангенциальной составляющей скорости, а электроны, находящиеся под следующим сегментом (между резонаторами II и III), уменьшают свою скорость в танген­ циальном направлении. Это объясняется тем, что средняя ско­ рость электронов в тангенциальном направлении в скрещен­ ных полях определяется отношением радиальной составляю­ щей напряженности электрического поля к магнитной индук­ ции (магнитное поле постоянное по величине и направлению во всем пространстве взаимодействия).

Таким образом, электроны, отстающие от электронов, про­ ходящих щель резонатора в момент максимального тормо­ зящего высокочастотного поля, дополнительно ускоряются в тангенциальном направлении, а электроны, прошедшие щель резонатора раньше, чем высокочастотное поле достигло максимальной величины, уменьшают несколько свою скорость вдоль замедляющей системы. Так радиальная составляющая электрического поля будет способствовать группированию электронов в щели резонатора II. Проведенные рассуждения относятся к моменту, когда на сегментах анода имеется ука­ занная на рис. 20 полярность переменной составляющей по­ тенциала. При работе магнетрона происходит непрерывное изменение потенциалов в соответствии с движением бегущей волны, а образующееся электронное уплотнение перемеща­ ется вместе с этой волной. Для обеспечения такого синхрон­ ного движения электронного уплотнения и электромагнитной волны необходимо иметь вполне определенные значения по­ стоянных электрических и магнитных полей, потому что, как было сказано выше, средняя скорость электронов, вдоль замедляющей системы в скрещенных полях определяется отношением радиальной составляющей напряженности элек­ трического поля к магнитной индукции.

В результате совместного действия сортировки и группи­ рования электронов вращающееся вокруг катода в простран­ стве взаимодействия электронное облако приобретает вид ци­ линдра у катода с выступающими в сторону анода электрон­

50

в два раза меньше, чем число резонаторов, так как половина всего количества щелей резонаторов в каждый данный момент будет создавать ускоряющее поле, где перемещаются элект­ роны потерь, быстро выводимые из пространства взаимодей­ ствия. Спицы вращаются синхронно, следуя за бегущей волной.

Конструктивно магнетроны выполняются обычно по схеме, приведенной на рис. 18.

Анодные блоки могут отличаться как размерами, так и геометрией резонаторов. Но при использовании любой формы резонаторов в анодном блоке возникает связь между ними, что делает систему с N резонаторами способной к N видам колебаний. Собственные частоты колебаний разных видов близки к собственной частоте колебаний типа я, используе­ мых в работе магнетрона, что существенно ухудшает его ра­ боту. Для разнесения по шкале частот рабочих и паразитных колебаний применяют в большинстве магнетронов два метода. Первый основан на том, что увеличение связи между резона­ торами увеличивает расстояние между возможными часто­ тами колебаний. Этот метод реализуется применением так называемых связок, которые выполняются в виде дужек или колец по торцевым сторонам анодного блока. При втором методе возможные частоты колебаний связанных резонаторов могут быть разнесены за счет расстройки резонаторов. Такой метод использован в системе, называемой р а з н о р е з о н а ­ т о р но й .

Важной особенностью конструкций современных много­ резонаторных магнетронов является введение устройств, по­ зволяющих производить механическую перестройку рабочей частоты. Обычно применяется так называемый симметричный вид настройки, при которой производится одновременная на­ стройка всех резонаторов анодного блока так, чтобы не нарушить угловую симметрию рабочего вида колебаний (обычно я-вида). Имеется три вида настройки: индуктивная, емкостная и настройка с помощью связанного контура. В пер­ вом случае индуктивность резонансной системы регулируется путем изменения отношения объема и поверхности той обла­ сти резонаторов, где протекают наибольшие токи. В случае емкостной настройки в промежуток между кольцевыми связ­ ками вдвигается металлический цилиндр, увеличивающий об­ щую емкость связок, а вместе с тем и резонансную частоту магнетрона. Наибольший диапазон механической перестройки может быть достигнут при одновременном использовании ин­ дуктивной и емкостной настроек. Настройка с помощью вспо­ могательного резонатора осуществляется следующим обра­

зом: объемный резонатор с гибкой диафрагмой для пере­ стройки частоты связывается через щель -с одним из резона­ торов магнетрона. Достоинством такого метода является воз­ можность получения большой ненагруженной добротности и увеличение стабильности генерируемой частоты.

Как и в других мощных приборах СВЧ, в зависимости от длины волны в многорезонаторных магнетронах использу­ ются либо волноводная, либо коаксиальная конструкция вы­ вода энергии.

Магнетроны используются как мощные генераторы СВЧ колебаний. КПД в диапазоне дециметровых волн достигает 70%, а в сантиметровом — 50% при выходных мощностях до десятков киловатт в непрерывном режиме и мегаватт в им­ пульсном режиме работы. Механическая перестройка обеспе­ чивает изменение собственной частоты в пределах 5-г-10% от средней рабочей частоты.

§ 3.2. Магнетронные усилители. К магнетронным усилите­ лям относятся две группы СВЧ приборов, которые отлича­ ются по конструктивному устройству и принципу работы.

К первой группе относятся так называемые п л а т и н о - т р о ны, которые явились результатом работ по упрощению конструкций магнетронных усилителей и стремления прибли­ зить их конструкцию к обычной конструкции многорезонатор­ ного магнетрона.

Платинотрон представляет собой усилитель обратной волны с замкнутым лучом и незамкнутой замедляющей си­ стемой. Разработаны магнетронные усилители прямой волны также с замкнутым электронным лучом и незамкнутой замед­ ляющей системой, которые называются у л ь т р о н а м и .

поток, который под действием постоянного электрического поля и нормального к плоскости рисунка магнитного поля движется в пространстве взаимодействия в направлении, ука­ занном стрелками; 3 — замедляющая система. Такой прибор характеризуется высокими значениями КПД, достигающими 50—80%, и усилением порядка 10—20 дБ при полосе усили­

ваемых частот около 10%.

При подключении к платинотрону специальной цепи об­ ратной связи он превращается в автогенератор с высокой ста­

в цепь обратной связи. Платинотрон — автогенератор с внеш­

52

ней обратной связью, в которую включается специальный

г)

поток, эмиттируемый сплошным цилиндрическим катодом. На рисунке цифрами обозначены элементы конструкции и элект­ ронный поток, так же как и для случая амплитрона. Допол­ нительным элементом является поглотитель 4, который явля­ ется согласованной нагрузкой для замедляющей системы.

Ко второй группе можно отнести усилители с вынесенным из пространства взаимодействия катодом. Они конструиру­

53

под действием потенциала управляющего электрода 6 и по­ стоянного магнитного поля движется вначале по кривой, близкой к циклоиде, а затем попадает в пространство взаимо­ действия, где сверхвысокочастотное бегущее поле распростра­ няется вдоль замедляющей системы <3; 5 — коллектор и 4 — поглотитель, исключающий возможность самовозбуждения усилителя при значительных отражениях высокочастотной мощности от коллекторного конца замедляющей системы.

Конструктивно ЛОВМ отличается от ЛБВМ только тем, что поглотитель располагается на коллекторном конце замед­ ляющей системы и имеется только один высокочастотный вы­ вод энергии, потому что используется прибор как генератор.

Среди приборов М-типа ЛБВМ является самым широко­ полосным прибором: диапазон рабочих частот составляет 20ч-30% от средней частоты, а ЛОВМ имеет диапазон элект­ ронной настройки до одной октавы при выходной мощности до киловатт. Кроме того, ЛОВМ отличается важным в прак­ тическом отношении свойством — линейной частотной харак­

теристикой.

Общим достоинством для всех приборов М-типа является относительно низкое анодное напряжение.

Магнетронные усилители находят применение в качестве усилителей в промежуточных и оконечных каскадах мощных и сверхмощных передатчиков, работающих в импульсном и непрерывных режимах.

Раздел II

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ М ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

„Г л а в а 4

Приборы газоразрядного типа

Из самостоятельных сверхвысокочастотных разрядов в га­ зах в приборах СВЧ наиболее часто используется дуговой разряд. Этот разряд возникает при пониженном давлении га­ за в тех частях устройств СВЧ, где сосредоточено электри­ ческое поле. Существенной особенностью СВЧ разряда явля­ ется то, что для его поддержания требуется небольшая на­ пряженность электрического поля (от нескольких сотен до нескольких десятков вольт на сантиметр), т. е. значительно меньше, чем требуется для поддержания разряда при посто­

54