Магнетронные генераторы (магнетрон и митрон)

 

Слово «магнетрон» состоит из двух корней: «магнит» и «трон» (окончание от греческого слова «электрон» – янтарь, проявляющий электрические свойства). Таким образом, магнетрон – ЭП с движением электронов в магнитном поле.

По своему назначению ЭП магнетронного типа могут быть использованы в качестве генераторов и усилителей СВЧ. Конструктивно в этих ЭП замедляющая система (ЗС) обычно замкнута в кольцо у автогенераторов и разомкнута, образуя полукольцо (с входом и выходом СВЧ), у усилителей. В центре ЗС помещен круглый подогревный горячий катод, эмитирующий электроны. К нему подведен отрицательный полюс источника питания, а положительный – к ЗС, являющейся одновременно анодом, который всегда соединен с корпусом (заземлен) для безопасного подвода и вывода СВЧ-колебаний с ЗС. Все эти элементы находятся в вакуумном баллоне из стекла, керамики или немагнитного металла. Баллон помещается между полюсами магнита так, чтобы постоянное электрическое поле между анодом и катодом и магнитное поле магнита были ортогональны, т.е. вектор магнитной индукции должен быть расположен соосно с осью круг-лого катода (рис.4.1). В вакууме относительная магнитная проницаемость μ =1, поэтому ≡ .

 

Рис. 4.1. Устройство многорезонаторного магнетрона: 1 − анодный блок; 2 − катод;

3 − резонаторы; 4 − сегменты; 5 − петля связи; 6 − вывод СВЧ; 7 − подогреватель

 

В магнетронном генераторе ЗС выполнена весьма узкополосной в виде це-почки резонаторов (см. рис. 1.4). Это даёт возможность увеличить напряженность электрической составляющей электромагнитного поля в зазоре Е_~, улучшить модуляцию электронного потока по плотности, увеличив наводимый в ЗС ток и генерирующую мощность СВЧ-колебаний. В целом магнетрон представляет собой электровакуумный диод, помещенный в магнитное поле. Поэтому движе-ние электронов от катода к аноду происходит под действием сил от полей (сила Кулона) и (сила Лоренца) по эпициклоидам. Это движение неравномер-ное, однако, речь идет о средней (циклоидальной) скорости υ _ц которая матема-тически определяется скоростью центра круга, катящегося по катоду, одна из точек окружности которого и образует периодически эпициклоиды:

υ _ц= =υ _ср.(4.1)

Описанная картина будет наблюдаться при В₀> В_{0 кр}, где В_{0 кр} – значение маг-нитной индукции, при которой электроны не достигают анода из-за отклонения их силой Лоренца.

Если в ЗС, состоящей из резонаторов, распространяется электромагнитная волна, то на электроны дополнительно к полю Е₀ будет действовать радиальная переменная электрическая составляющая поля волны Е_~R, увеличивая при син-фазности с полем Е₀ (электрон 1) или уменьшая при противофазности (электрон 3) значение скорости υ _ср= (скорость электрона 2 не изменяется). Вид этого процесса при сдвиге фаз между резонаторами ЗС φ =π показан на рис. 4.2.

 

 

 

Рис. 4.2. Образование сгустков электронов в магнетроне в тормозящей фазе поля Е_~τ

 

Эти сгустки принимают форму спиц, перемещаясь вправо (при показанном знаке вектора перпендикулярно плоскости рисунка) со скоростью υ _ср= . Чтобы сгусток электронов оставался все время в тормозящей фазе волны, необходимо, чтобы его скорость υ _ср была равна фазовой скорости обратной пространственной гармоники υ _ф-1, ибо именно при взаимодействии с ней энергия волны (и групповая скорость υ _гр) направлены в противоположную сторону, создавая положительную обратную связь и поддерживая возникшие колебания. Частота колебаний определяется частотой резонансной замедляющей системы f_р. Условие равенства скоростей υ _ср и υ _ф-1 называется условием синхронизма:

 

υ _ср=υ _ф-1. (4.2)

 

При синхронном движении спиц и волны (первой обратной пространствен-ной гармоники) электроны внутри спиц по циклоидам перемещаются от катода к аноду, отдавая свою потенциальную энергию полю волны.

При таком смещении электронов к аноду совершается несколько цикло-идальных движений, и лишь при движении по последней перед анодом циклоиде происходит удар об анод и бесполезная отдача кинетической энергии на нагрев анода. Поскольку «полезных» циклоид несколько, то большая часть потенциаль-ной энергии электрона переходит в энергию волны (колебаний СВЧ). Поэтому КПД магнетрона весьма высок – десятки %. При больших значениях В₀ размеры циклоид уменьшаются (последняя перед анодом циклоида тоже), и КПД возрастает (у мощных магнетронов до 80–90 %).

При изменении υ _ср за счет изменений анодного напряжения U_а синхронно меняется и υ _ф-1, приводя к изменению генерируемой частоты колебаний. Однако эти вариации частоты весьма малы (доли %) ввиду узкополосности ЗС. Поскольку дисперсия υ _ф-1 аномальная, то увеличение U_а будет приводить к увеличению частоты f_г генерируемых колебаний. Однако зависимость f_г=f (I_а) может быть и немонотонной или же спадающий при больших значениях I_а (рис. 4.3). Немоно-тонность вызвана тем, что в магнетроне при сдвиге фаз между резонаторами φ = π (колебания π -вида) скорость основной нулевой пространственной гармоники |υ _ф0|=|υ _ф-1|, что приводит к синхронному взаимодействию спиц и с этой гармони-кой, имеющей нормальную дисперсию для υ _ф0. Уменьшение f_г при больших токах I_а связано, особенно у мощных магнетронов, с перегревом анодного блока, расширением материала, из которого он изготовлен (медь) и уменьшением зазо-ров, что увеличивает емкость резонаторов и понижает частоту генерации.

Поскольку магнетрон также обладает малым внутренним сопротивлением R_i = по сравнению с нагрузкой R_н, то он тоже работает в режиме эквивалентного генератора напряжения. В связи с большими изменениями его тока при малых приращениях анодного напряжения вольт-амперные характерис-тики магнетрона строятся в координатах «ток-напряжение» (рис. 4.3).

В зависимости от тока можно построить и рабочие характеристики генери-руемой мощности и частоты (рис. 4.3), а также и электронного КПД:

, (4.3)

 

где Р₀=U_АI_А.

Возрастание Р_г с увеличением I_Асвязано с нелинейной зависимостью тока в вакуумном диоде от анодного напряжения:

I_А=PU_А (4.4)

где P – первеанс (эмиссионная способность катода).

Поэтому

Р_г= I_А U_А= PU_А .

 

С учетом уменьшения КПД при росте тока зависимость Р_г= f (I_А) близка к квадратичной (рис. 4.3).

 

 

 

Рис. 4.3. Вольт-амперные и рабочие характеристики магнетрона

 

Снижение с ростом I_А связано с увеличением пространственного заряда (количества электронов) между спицами, что уменьшает долю переменной составляющей тока по сравнению с его средним значением.

Первые в мире магнетроны начали разрабатываться в СССР в 1940 году. Они нашли широчайшее применение в радиолокации и других передатчиках СВЧ. В 60-х годах были предложены магнетроны с более широкополосной ЗС и более широким диапазоном электронной перестройки (единицы %). Для механической перестройки в широком диапазоне частот за счет изменения частоты резонатора были разработаны коаксиальные магнетроны, разновидностью которых является турбатор. В них внешний коаксиальный резонатор имеет на внутреннем цилинд-ре коаксиала набор продольных щелей для связи с резонатором и выступов между ними, обращённых в пространство взаимодействия, в сторону центрального горячего катода. Недостаток коаксиальных магнетронов – относительно неболь-шая мощность. Для её повышения был изобретен коаксиальный обращенный магнетрон, у которого катод поместили снаружи коаксиального резонатора, также имеющего щели и выступы. За счет увеличения на порядок площади катода мощ-ность таких магнетронов достигла десятков МВт в импульсе.

Нагрузочные характеристики магнетронов по мощности качественно анало-гичны характеристикам пролетных клистронов (см. рис. 2.5). Однако изменение реактивной составляющей входной проводимости линии передачи при изменении модуля и фазы комплексного коэффициента отражения приводит к изменению ещё и генерируемой частоты за счёт вносимой в ЗС реактивности. При индук-тивной проводимости, вносимой в эквивалентный параллельный колебательный контур L_эС_э ЗС, результирующая индуктивность уменьшается, частота генерации возрастает (f_г= ). При внесении ёмкостной проводимости результирую-щая ёмкость возрастает, и частота генерации понижается. Это явление получило название затягивания частоты (рис. 4.4).

 

 

Рис. 4.4. Кривая затягивания частоты магнетрона при разных КСВ

в зависимости от фазы на входе линии передачи

 

Обычно f_г измеряют при разных значениях КСВ (см. п. 2.1) в зависимости от фазы на входе линии, на которую нагружен магнетрон. Наибольшие изменения f_г при КСВ = 1, 5 характеризуют коэффициент затягивания частоты F_з = 2∆ f_г магнетрона. В справочниках нагрузочные характеристики магнетрона приводятся обычно в полярной системе координат (рис. 4.5).

 

 

 

Рис. 4.5. Нагрузочные характеристики магнетрона в полярной системе координат

 

Магнетроны продолжают совершенствоваться, особенно в области генерации сверхбольших мощностей. Для этого используются очень высокие напряжения (до 1 МВ), что приводит к релятивистским эффектам, но позволяют получить при токах 10 кА и более генерируемые мощности в импульсе (τ _и – десятки нс) более 1 ГВт. Генерация СВЧ сопровождается при этом интенсивным рентгеновским излучением, что требует тщательной экранировки магнетрона.

Объединение мощных релятивистских генераторов СВЧ в антенную решетку позволяет получить сверхмощные установки для дистанционного подавления любых электронных средств противника.

Преодоление недостатка магнетронов – узкополосности при электронной перестройке – решается в так называемых магнетронах, управляемых напряжени-ем, (митронах). В отличие от магнетронов в митроне обычно используются сверхширокополосная кольцевая ЗС с полосой в октаву (типа «встречные штыри» и др.), а для четкой группировки спиц электронный поток дозируется управляю-щим электродом от внешнего горячего катода (с подогревателем). Пространство взаимодействия организуется путём помещения в центр упомянутой кольцевой ЗС цилиндрического холодного катода (ХК), соединенного для выравнивания потенциалов с горячим катодом через резистор R (сотни Ом). Из-за малого значения напряженности Е_~ поля волны в ЗС митрона мощность его генерации составляет всего от долей ватта до сотен ватт, КПД – 40-60 %. Разработаны также менее широкополосные, но более мощные импульсные митроны с гене-рируемой мощностью единицы–десятки кВт в импульсе.

Типовые рабочие характеристики широкополосного митрона приведены на рис. 4.6.

 

а) б)

 

Рис. 4.6. Рабочие характеристики митрона: зависимости Р_г, f_г и I_А от напряжения на холодном катоде |–U_х.к| (а) и от напряжения на управляющем электроде электронной пушки (б)

 

Линейная зависимость f_г= f(|–U_х.к|) или f_г= f(U_А) возникает ввиду линейности соотношения между средней скоростью электронов υ _{е. ср} и действующим напряжением в ЭП типа «М» (см. формулу (4.1)), из которой следует, что

υ _е.ср= , (4.5)

где d – расстояние между ЗС и ХК (здесь U_А= |–U_х.к|). Всё это реализуется при условии линейности аномальной дисперсионной характеристики υ _ф-1= f (f_г).

Колебания мощности связаны с неидеальным согласованием ЗС и выхода СВЧ.

Нелинейность зависимости Р_г = f (U_упр) возникает из-за перехвата части электронов управляющим электродом, находящимся под положительным потен-циалом относительно катода. Возрастание пространственного заряда с ростом тока увеличивает ёмкостную проводимость в ЗС, и частота генерации f_г пони-жается (рис. 4.6, б).

Митроны используются не только как широкополосные гетеродины, но и как генераторы с широкополосной ЧМ в системах связи и радиолокации.

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Вентильные сварочные генераторы
2. Генераторы и усилители на диодах Ганна
3. Генераторы и усилители на лавинно-пролетных диодах
4. Генераторы на основе линейных регистров сдвига (фильтрующие, комбинирующие, с неравномерным движением).
5. Магнетронные усилители – платинотроны (амплитрон и ультрон)
6. Формирователи и генераторы импульсов с пикосекундными фронтами