Магнетронные усилители – платинотроны (амплитрон и ультрон)

Слово «платинотрон» имеет в своей основе греческий корень «platis» –широкий. Действительно, эти приборы по сравнению с магнетроном имеют существенно большую полосу усиления или генерации (см. п. 4.3).

Идея использования ЭП магнетронного типа для усиления колебаний СВЧ была реализована путём разрыва ЗС с введением устройств для входа и выхода сигнала и уменьшением сопротивления связи R_св для невыполнения условия баланса амплитуд с целью предотвращения самовозбуждения и генерации. Такой усилитель был назван амплитроном (от англ. amplifier – усилитель). Остающаяся в нём положительная обратная связь (баланс фаз) вызывает генерацию мощного шумового сигнала. При подаче на вход мощности СВЧ начинается синхронизация шума входными колебаниями, и усилитель фактически работает в режиме синхро-низируемого недовозбужденного автогенератора. Для уменьшения связи выхода со входом их разнос в полукольце был увеличен, а между началом и концом ЗС была помещена вставка дрейфа для осуществления «рассыпания» электронных спиц (ввиду отсутствия здесь поля СВЧ-волны) (рис. 4.7).

С изменением частоты входного сигнала f_вх происходит сдвиг фаз у колебаний π -вида в ЗС, и синхронизация обычно выполняется в полосе не более 10÷ 12 % от средней частоты. Однако благодаря ГК большой площади в амплит-роне достижимы мощности десятки МВт в импульсе, но при относительно незначительном коэффициенте усиления 8÷ 13 дБ. Амплитудные характеристики амплитрона приведены на рис. 4.8.

 

 

 

Рис. 4.7. Структура устройства амплитрона

 

 

Рис. 4.8. Амплитудные характеристики амплитрона при различных

значениях анодного напряжения и тока

 

Ещё один недостаток амплитрона – малое затухание в ЗС (1÷ 2 дБ), ввиду чего он не может быть использован как стробирующий импульсный усилитель: на вход амплитрона должен подаваться радиоимпульсный сигнал синхронно с отри-цательным модулирующим импульсом на катод. При отсутствии входного радиоимпульсного сигнала во время включения модулирующего импульса на выходе амплитрона будет возникать мощный радиоимпульс шумового сигнала. Этот недостаток отсутствует у аналогично построенного усилителя, но работаю-щего на прямой волне (скорость гармоники υ _фо), который назвали ультроном. Но и у него возможно самовозбуждение за счет частичной связи между входом и выходом через остатки спиц замкнутого электронного потока. Условие синхро-низма в ультроне υ _{е ср}= υ _фо также выполняется в относительно неширокой полосе (≈ 15 %). Кроме того, поскольку |υ _фо|> |υ _ф-1|, то для больших значений υ _{е ср} требуется и большее U_А. Поэтому ультроны не нашли широкого применения. Поскольку υ _фо и υ _гр по направлению совпадают, то на рис. 4.7 вход и выход для ультрона необходимо поменять местами.

 

4.3. Платинотронные генераторы (стабилотрон и карматрон)

 

Склонность амплитрона к самовозбуждению за счет положительной обратной связи была использована для создания автогенераторов СВЧ с перест-ройкой частоты. В стабилотроне использовано свойство малого затухания волны, отраженной от специального широкополосного рассогласователя на выхо-де (рис. 4.9). Отраженный от него широкополосный шум проходит через ЗС на вход амплитрона и далее через фазовращатель – в согласованную нагрузку (СН). Между фазовращателем и СН введён элемент регулируемой связи с внешним стабильным резонатором, который изготавливается из сплава с низким температурным коэффициентом расширения, например из инвара. На частоте резонатора f_рв линию вносится неоднородность, от которой происходит отраже-ние шумовых компонент, соответствующих частоте f_р, входящей в полосу частот амплитрона. Подбор связи резонатора с линией (баланс амплитуд) и фазы с помощью фазовращателя (баланс фаз) приводит к устойчивой генерации на час-тоте f_р.

Рис. 4.9. Функциональная схема стабилотрона

 

Механическая или электрическая перестройка резонатора (с помощью варикапа), а также возможность получения ЧМ при высокой стабильности часто-ты генерации f_г = f_р( и менее) и большой мощности на выходе позволяя-ют широко использовать стабилотрон в различных радиопередающих устройствах СВЧ. Электрическое управление через варикап частотой f_г создает также возмож-ность для стабилизации частоты стабилотрона с помощью ФАПЧ.

Другой автогенератор с электронной перестройкой частоты, реализованный на базе амплитрона, назвали карматроном (karma – действие; санскрит). Для получения устойчивой генерации в его ЗС увеличили значение сопротивления связи R_св (стало выполняться условие баланса амплитуд), а на входе поставили согласованную нагрузку. Рабочие перестроечные характеристики карматрона приведены на рис. 4.10.

 

 

Рис. 4.10. Перестроечные характеристики карматрона

 

Перестройка по частоте, соответствующая полосе амплитрона ( ), сопровождается нелинейным изменением мощности по тем же причинам, что и у магнетрона (см. рис. 4.3). При увеличении I_А> I_{А max} или уменьшении I_А< I_{А min} при соответствующих значениях U_А происходит срыв синхронизма υ _{е ср} = υ _ф-1, и генерация прекращается. Как и амплитроны, карматроны могут генерировать мощности от единиц до десятков МВт в импульсе.

 

4.4. ЛБВ и ЛОВ типа «М»

 

Возможности расширения полосы частот усиливаемых или генерируемых колебаний СВЧ были реализованы соответственно в ЛБВ-М и ЛОВ-М и в их модификациях.

Идея построения ЛБВ-М с использованием для усиления прямой волны с фазовой скоростью υ _фо состоит в следующем. В вакууме организуется взаимо-действие электронов с прямой бегущей волной в разомкнутой линейной или свер-нутой в полукольцо ЗС в ортогональных и полях. Поле возникает меж-ду ЗС, являющейся анодом, и параллельно расположенным холодным катодом (ХК), которые находятся под отрицательным потенциалом (рис. 4.11).

 

 

 

Рис. 4.11. Схема устройства плоской ЛБВ-М с боковым расположением катода

 

Под действием поля ускоряющего электрода (Уск.эл.) электроны разгоняют-ся, одновременно поворачивая вправо под действием силы Лоренца (см. п. 4.1), и влетают в пространство взаимодействия между ЗС и ХК. При определенной ско-рости влета υ _вл=υ _{е ср}= и напряжениях U_А и |–U_х.к| можно получить условия, при которых электрические силы Кулона (притяжение электронов к ЗС) и магнитная сила Лоренца , направленная к ХК, будут равны по модулю в точке «0». Тогда электронный поток в виде ленты будет двигаться между ЗС и ХК прямолинейно (при отсутствии СВЧ-поля в ЗС) или с наклоном в сторону ЗС (при наличии Р_вх), отдавая образовавшимися в тормозящей фазе поля «сгустками» электронов энергию бегущей волне (см. рис. 4.2). В отличие от магнетрона движе-ние электронов здесь будет прямолинейным, а не по циклоидам. Чем ниже относительно ЗС точка влета «0», тем больше потенциальной энергии отдадут электроны волне, тем выше будут мощность и КПД. Поэтому на ХК и подают отрицательное напряжение –U_х.к относительно горячего катода. «Отработанные» электроны в «сгустках» частично попадают на ЗС (анод), частично – на коллек-тор, который соединен с ЗС, и для безопасности оба электрода заземлены (соеди-нены с корпусом). Как и во всех других ЭП типа «М», здесь также необходима синхронизация между υ _{е ср} и υ _ф0 (υ _{е ср}= υ _фо). Это условие в ЛБВ-М (в отличие от ультрона) выполняется в достаточно широкой полосе частот. Поэтому АЧХ у ЛБВ-М похожа на АЧХ ЛБВ-0. Однако электронный КПД у ЛБВ-М по сравнению с другими ЭП СВЧ типа «М» невелик (около 30 %) так же, как выходная мощность (максимум единицы кВт) и коэффициент усиления (15÷ 20 дБ). Для повышения значений этих параметров делают двухкаскадные ЛБВ-М с малым и большим расстоянием между ЗС и ХК. Коэффициент усиления увеличивается здесь до 40 дБ за счет меньшей Р_вх, необходимой для образования «сгустков». Как и в ЛБВ-0, коэффициент усиления зависит от параметра усиления для ЛБВ-М С_м, количества замедленных длин волн N в ЗС, потерь D₁ в ЗС и затухания поглотителя D₂, помещаемого в середину ЗС для предотвращения самовозбуж-дения из-за частичного отражения СВЧ волны от выхода:

 

К_ус= 54, 6С_м N – D₁– D₂. (4.6)

 

Обычно потери D₁и D₂в сумме могут составлять 15÷ 20 дБ, N =20÷ 30, С_м ≈ 0, 02 ÷ 0, 05.

Амплитудная характеристика ЛБВ-М Р_вых= f(Р_вх) аналогична АХ ЛБВ-0 (см. рис. 3.3). Импульсная мощность ЛБВ-М достигает 1 МВт. Как правило, используется плоский вариант ЛБВ-М, позволяющий получить больший устой-чивый коэффициент усиления (без самовозбуждения). Такую ЛБВ-М называют биматроном. Для увеличения Р_выхбыло предложено покрывать ХК слоем мате-риала с вторичной эмиссией, возникающей от «бомбардировки» ХК отдельными электронами. Такие ЛБВ-М назвали дематронами (аббревиатура DEMATRON – distributed emission magnetron amplifier – магнетронный усилитель с распределен-ной эмиссией). Увеличение мощности здесь было достигнуто в ущерб снижению коэффициента усиления за счет необходимости повышения Р_вх для модуляции мощного электронного потока по скоростям электронов с образованием сгустков. Поэтому реальное применение нашли комбинированные приборы, состоящие из биматрона и дематрона – бидематроны. В дематронной, выходной части этого ЭП, электронный поток группируется уже в виде спиц. Электрическая схема включения бидематрона приведена на рис. 4.12. Выходная мощность би-дематронов достигает единиц МВт в импульсе при коэффициенте усиления К_ус = 30÷ 40 дБ. Их недостаток – сложность устройства схемы питания по сравнению с амплитроном.

 

 

Рис. 4.12. Электрическая схема включения бидематрона

 

 

ЛОВ-М отличается от ЛБВ-М использованием обратной пространственной гармоники со скоростью υ _ф-1 (как и в ЛОВ-О, см. п. 3.3) и поэтому применяется в качестве автогенератора. Положительная обратная связь здесь создается за счет противоположных направлений движения электронного потока (скорость υ _{е ср}) и энергии волны с групповой скоростью υ _гр. Поэтому в отличие от структуры ЛБВ-М (рис. 4.11) на месте входа будет расположен выход СВЧ-энергии, а вместо выходного разъема ЛБВ-М в конце ЗС ЛОВ-М ставится поглотитель (согласо-ванная нагрузка). Как и в ЛОВ-О, в этом ЭП при генерации возникает синхронизм между электронным потоком и обратной пространственной гармоникой (υ _{е ср}= υ _ф-1). Но здесь, в ЭП типа «М», средняя скорость электронного пучка, в отличие от ЛОВ-О, линейно зависит от изменений напряжения U_А на ЗС (аноде) и U_ХК на холодном катоде (ХК) (см. п. 3.3 о ЛОВ-О и формулу (4.1)):

υ _{е ср} = ,

где d – расстояние между ЗС и ХК. Поэтому при линейности дисперсионной характеристики υ _ф-1 = f(f) ЗС от частоты зависимость f_г от U_А будет, в отличие от зависимости, изображенной на рис. 3.8, линейной. Диапазон перестройки ЛОВ-М составляет 20÷ 30 %. Перестроечная рабочая характеристика ЛОВ-М похожа на аналогичную характеристику митрона (рис. 4.6, а).

Генерируемая мощность Р_г в ЛОВ-М при перестройке частоты также будет изменяться из-за неидеального согласования выхода СВЧ с ЗС и частичных отражений волны от поглотителя.

Величина Р_г не превышает сотен ватт − киловатта в непрерывном режиме, а электронный КПД – десятков процентов (как и в ЛБВ-М).

Обычно используется цилиндрическая конструкция ЛОВ-М (свернутая в полукольцо линейная конструкция).

Основное применение ЛОВ-М – в системах связи и в качестве автоге-нератора, синхронизируемого внешним сигналом через ферритовый циркулятор (см. рис. 1.8, б, но при I_раб > I_пуск). Еще одна область применения ЛОВ-М при больших токах пучка (когда возникает генерация на двух и более частотах с широкополосной взаимной ЧМ и АМ) – в системах радиопротиводействия.

Импульсная мощность ЛОВ-М достигает сотен киловатт.

 

 

5. Гиротроны и гироконы

 

5.1. Гиротроны

Изобретение гиротронов (группа академика А.В. Гапонова, ИПФ РАН) было вызвано необходимостью получения больших мощностей в миллиметровом диапазоне СВЧ, где обычные магнетроны их не дают из-за роста потерь и ввиду малых размеров ЗС, при изготовлении магнетронов возникают серьезные технологические трудности. Поэтому было предложено реализовать взаимо-действие электронов с бегущими прямыми или обратными волнами в волноводах или волноводных резонаторах при так называемом поперечном синхронизме.

При циклотронном вращении и движении электронов по спиральным траек-ториям вдоль волновода и продольного вектора магнитной индукции В₀ высокой точности при изготовлении таких направляющих систем не требуется. Упрощен-но идея взаимодействия электрона с полем СВЧ в прямоугольном волноводе на примере моды Н₁₀ с длиной волны в волноводе λ _в показана на рис. 5.1.

 

Рис. 5.1. Взаимодействие электрона с полем волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе

при циклотронном вращении в продольном поле

 

Электроны влетают в волновод со скоростью υ _е под углом к продольной оси и поэтому вращаются по спирали с частотой f_ц = , перемещаясь за один оборот на некоторый шаг d за время Т_ц= .При движении волны её тормозящая фаза должна также переместиться за это же время на расстояние l=λ _в+d. Тогда электрон (см. рис. 5.1) будет больше отдавать энергии электрической составляю-щей ЭМП при его торможении (ближе к центру волновода), чем забирать при ускорении (при слабом поле Е_~ вблизи стенки волновода). В результате при частотах f_г ≈ f_ц возникает частотный синхронизм, соответствующий так назы-ваемому циклотронному резонансу. Возможно также взаимодействие на частотах f_гв целое число р раз больше f_ц, но оно менее эффективно. В реальности при расчете синхронизма необходимо учитывать также (из-за больших скоростей электронов υ _е) релятивистские эффекты, эквивалентные возрастанию массы электрона

, (5.1)

где с – скорость света, т₀ – масса покоя электрона.

Устройство генераторного гиротрона, названного гиромонотронным, приве-дено на рис. 5.2.

 

 

Рис. 5.2. Устройство генератора – гиромонотрона

 

Поскольку |U_А|> |U_уэ|, то между ускоряющим электродом и катодом будет действовать высокое положительное напряжение. Генерируемая мощность в миллиметровом диапазоне достигает 1 МВт в импульсе и более, электронный КПД составит 15÷ 30 %, рабочие напряжения – десятки кВ. Работа гиромонотрона сопровождается опасным рентгеновским излучением. При периодическом тормо-жении электронов во время взаимодействия с электромагнитной волной в прин-ципе возникает тормозное излучение, имеющее квантовую природу, почему авто-ры изобретения сначала и назвали гиротроны «мазерами на циклотронном резона-торе (МЦР)» (MASER – аббревиатура англ. выражения microwave amplification by stimulated emission of radiation по аналогии со словом LASER – см. п. 10; maser переводится как «микроволновое усиление за счет стимуляции излучения»).

В результате периодических торможений - ускорений с частотой f_ц происходит модуляция электронов по скорости с образованием сгустков. Измене-ние магнитной индукции В₀ в небольших пределах будет приводить к изменению f_г=f_ц= . Однако это возможно только при использовании мощного электро-магнита, создающего большую магнитную индукцию В₀. Так, для излучения f_г= f_ц=150 ГГц (λ _г = 2 мм) требуется магнитная индукция около 5 Тл (50·10³ Гс). Такой электромагнит требует интенсивного охлаждения обмотки, а затрачиваемая мощность от источника питания составляет многие киловатты. Поэтому для серийных гиротронов используются сверхпроводящие обмотки, охлаждаемые жидким гелием и (или) азотом в криостате. Всё это усложняет использование гиротронов.

Из усилительных гиротронов нашли применение гироклистроны и гиро-ЛБВ (рис. 5.3, 5.4). Гироклистрон напоминает по устройству гиромонотрон, но состоит из входного и выходного резонаторов, работающих на разном типе волн.

 

 

Рис. 5.3. Устройство усилительного гироклистрона

 

Усиление 30 ÷ 40 дБ достигается в полосе не более 1 % при выходной мощности в сотни кВт и КПД 15 ÷ 30 %.

Гиро-ЛБВ представляет собой отрезок круглого гладкого или гофрирован-ного волновода, имеющего вход и выход для волн СВЧ. Выходная мощность дос-тигает десятков и сотен кВт при коэффициенте усиления 20 дБ в полосе 7÷ 12 % с КПД до 50 % и более.

 

Рис. 5.4. Устройство гиро-ЛБВ

 

Все гиротроны могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Применяются они в основном для исследования плазмы.

Гироконы

 

Гироконы как мощные усилители метрового и дециметрового диапазона были предложены в 60-х годах в СССР группой академика Г.И. Будкера. Термин «гирокон» составлен из двух слов: «giros» (греч.) – круг, «continuum» (латин.) – непрерывный. В гироконе непрерывный электронный пучок модулируется во входном резонаторе по направлению, что создает его вращение по кругу. В ре-зультате он попадает во второй кольцевой волноводный резонатор через кольце-вую прорезь (щель) по центру волновода (рис. 5.5). При отклонении пучка он перемещается по кругу вдоль сквозной кольцевой щели, оставаясь за счет синхро-низации с волной (υ _вращ = υ _фк) в тормозящей фазе электрической составляющей электромагнитной бегущей волны в резонаторе (рис. 5.5).

 

 

 

Рис. 5.5. Идея работы одного из видов гироконов

 

Фокусировка пучка и его дополнительное выравнивание для вхождения в щель параллельно продольной оси z осуществляется электростатической фокуси-рующей системой, а сбор электронов после пролета через щель в резонаторе происходит в кольцевом коллекторе. Источником пучка является ускоряющая высоковольтная электронная пушка, поэтому здесь также возникает побочное рентгеновское излучение. В гироконах при ускоряющих напряжениях от долей до единиц МВ получены мощности от единиц в непрерывном режиме до сотен МВт в импульсном при коэффициенте усиления 20÷ 25 дБ и КПД более 80 %. Их недостаток – узкая полоса усиления (доли %). Метровый диапазон волн нашел широкое применение в радиолокации для дальнего обнаружения целей, в том числе и выполненных по технологии «стелс», поскольку поглощающее покрытие, рассчитанное на большое поглощение в сантиметровом диапазоне, в метровом диапазоне ввиду малой электрической толщины покрытия (много меньше длины волны) дает очень слабое поглощение и значительный отраженный от цели сигнал.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Акустоэлектронные полупроводниковые усилители СВЧ на ПАВ
2. Быстродействующие усилители импульсных сигналов
3. Генераторы и усилители на диодах Ганна
4. Генераторы и усилители на лавинно-пролетных диодах
5. Магнетронные генераторы (магнетрон и митрон)