Применение магнетронных генераторов большей мощности в радиолокационных системах (стр. 5 из 19)

Рисунок. 1.9 - Симметричная механическая настройка магнетрона индуктивным кольцом и индуктивной коронкой (а, б) и емкостнымикольцом и коронкой (в, г):1- анодный блок; 2- металлическое кольцо; 3- металлический стержень; 4 -отверстие резонатора; 5 - щель резонатора; 6 – связки.

Интересна разновидность магнетронных систем, использующая коаксиальный резонатор, который охватывает многорезонаторный анодный блок. Внутренним проводником этого резонатора является цилиндрическая поверхность собственно анодного блока. В этой поверхности прорезаны продольные щели, связывающие коаксиальный резонатор с магнетронными резонаторами через один, как показано на рис. 1.10. Коаксиальный резонатор возбуждается на виде колебаний Н₀₁₁, отличающемся тем, что электрическое поле и токи в стенках имеют вид замкнутых окружностей. Подобной структуре поля и токов отвечает возбуждение анодного блока магнетрона на p-виде, так как в резонаторах, расположенных через один и имеющих щелевую связь, колебания оказываются синфазными (сдвинутыми между собой по фазе на 2p). Видам колебаний анодной системы, отличным от p-вида, соответствуют виды колебаний в коаксиальном резонаторе, отличные от Н₀₁₁. Эти колебания могут быть в свою очередь сильно подавлены, например с помощью поглощающих вставок и кольцевых щелей, нарушающих высокочастотные токи всех видов колебаний, кроме вида Н₀₁₁.

Благодаря этому диаметр анода и число резонаторов в магнетроне с описанным коаксиальным резонатором ("коаксиальном магнетроне") могут быть значительно увеличены в сравнении с обычными магнетронами без ухудшения разделения основных видов колебаний. Увеличение диаметра анода позволяет значительно повысить генерируемую мощность магнетрона.

Коаксиальные магнетроны имеют и другие существенные преимущества. Накопление значительной энергии в коаксиальном высокодобротном резонаторе повышает собственную добротность Q_oвсей системы и стабильность частоты генерируемых колебаний. Степень затягивания частоты F₃может быть при этом значительно снижена за счет уменьшения связи с нагрузкой и повышения внешней добротности Q₀ при одновременном улучшении к. п. д. резонаторной системы.

Рисунок 1.10 - Схема устройства коаксиального магнетрона: 1 -магнетронные резонаторы, 2—щели связи, 3—наружная стенка коаксиального резонатора; 4 — поршень механической настройки; 5—вывод энергии (прямоугольный волновод)

Далее, благодаря улучшению разделения видов колебаний возможна работа при меньшей амплитуде высокочастотного напряжения в пространстве взаимодействия, что приводит к повышению электронного к. п. д. Существуют и другие достоинства магнетронов коаксиального типа, что позволяет отнести их к числу перспективных направлений развития магнетронных генераторов.

Устройство типичных коаксиальных и волноводных выводов энергии показано на рис. 1.11 и 1.12. Петля вводится обычно в один из резонаторов в области максимума СВЧ магнитного поля. Основная трансформация сопротивления, определяющая величину Q_BH, осуществляется в зависимости от размеров петли.

Рисунок 1.11 - Коаксиальные выводы энергии магнетронов малой и средней мощности 10-см диапазона: 1—петля, 2, 3 — наружный и внутренний проводники коаксиальной линии; 4 — стекло; 5—медь; 6— ковар

Коаксиально-волноводные выводы энергии, жестко скрепляемые с магнетронами, применяются при умеренной мощности в коротковолновой части сантиметрового диапазона. При более высоких мощностях, а также при более коротких волнах используют в основном волноводные выводы. Между стандартным прямоугольным волноводом и анодным блоком обычно включается четвертьволновый волноводный трансформатор (рис. 1.12), понижающий сопротивление нагрузки в 100—200 раз. В качестве трансформаторов используются также многоступенчатые четвертьволновые и экспоненциальные переходы.

Рисунок 1.12 - Волноводный вывод энергии магнетрона 3-см диапазона с одноступенчатым четвертьволновым трансформатором: 1—анодный блок, 2 — трансформатор, 3—круглое стеклянное или керамическое окно; 4 — дроссель; 5—выходной фланец

Катод играет значительно большую роль в работе магнетронов, чем в работе большинства других электронных приборов СВЧ. Длина и диаметр катода необращенного магнетрона имеют пределы ввиду ограничений, накладываемых на высоту анодного блока l_а, диаметр анода d_эи отношение

. Требования к удельной эмиссии становятся особенно высокими. Если в 10-смдиапазоне типичная величина эмиссии с катода магнетрона в импульсе составляет 10 a/см², то в 3-смдиапазоне требуемая плотность тока доходит примерно до 30 а/см². С дальнейшим укорочением волны происходит соответствующий рост требуемой эмиссии. К катоду магнетрона предъявляется дополнительное требование — способность работать с достаточным сроком службы в условиях значительной обратной бомбардировки. Значительную роль в работе магнетрона играет вторичная электронная эмиссия с катода. В связи с этим к материалу катода предъявляется также требование высокой вторичной эмиссии.

Основное назначение современных импульсных магнетронных генераторов — передатчики радиолокационных станций и других радиотехнических устройств, в том числе линий импульсной связи, радиоотелеметрических систем, маяков и т. п.

Устройство двух типичных импульсных магнетронов приведено на рис. 1.13 и 1.14.

Рисунок 1.13 - Устройство типичного импульсного ненастраиваемого магнетрона 10-смдиапазона: 1 — анодный блок, 2 — катод, 3 — петля вывода энергии, 4— двойные кольцевые связки, 5—коаксиальный вывод энергии, 6—боковые крышки; 7—вывод катода и накала 8—-вывод накала 9—трубка для откачки; 10 —ковар; 11—стекло

Магнетроны находят также применение в качестве мощных генераторов, питающих линейные электронные ускорители. Магнетроны непрерывного режима все более широко применяются в установках промышленного и бытового СВЧ нагрева.

Диапазон мощностей импульсных магнетронов составляет от десятков ватт до 10 Мвт. Магнетроны непрерывного режима выпускаются на мощности от долей ватта до нескольких десятков киловатт.

Устройство митрона и схема его включения представлены на рис. 1.15. В этом приборе катод вынесен из пространства взаимодействия и расположен вдоль оси на одном из торцов

Рисунок 1.14 - Устройство типичного импульсного магнетрона 3-см диапазона (без постоянных магнитов). В более крупном масштабе изображено устройство катода, связок и анодного блока: 1- анодный блок с радиатором, 2-полюсный наконечник; 5 - катодная ножка, 4- катод; 5- окно вывода энергии; 6-связки; 7-Н-образный четвертьволновый трансформатор; 8-пермендгоровые наконечники

Катод окружен коническим дополнительным анодом — управляющим электродом, образующим вместе с катодом магнетронную пушку типа Кайно—Тейлора. Вместо катода внутри резонаторной системы расположен цилиндрический неэмиттирующий отрицательный электрод ("холодный катод"), создающий в пространстве взаимодействия постоянное радиальное электрическое поле, как в обычном магнетроне.

Электронный поток, имеющий вид полой трубки, инжектируется в пространство взаимодействия митрона и взаимодействует с полем p-вида колебаний. При U_а1 = const (см. рис. 1.15) постоянное анодное напряжение U_а практически не влияет на величину анодного тока, что позволяет использовать в "чистом виде" явление электронной настройки магнетронов. Для реализации широкого диапазона электронной настройки нагруженная добротность резонаторной системы снижается до 2—10. В митроне, изображенном на рис. 1.15, использована встречно-штыревая система, соединяемая двумя металлическими кольцами с внешним низкодобротным резонатором. С помощью митронов получают диапазон электронной настройки, доходящий до одной октавы при малой генерируемой мощности.