книги из ГПНТБ / Самсонов, Д. Е. Основы расчета и конструирования магнетронов. (Настройка. Стабилизация. Вывод энергии. Холодные измерения)
.pdfД. Е. С А М С О Н О В
ОС Н О В Ы Р А С Ч Е Т А
ИК О Н С Т Р У И Р О В А Н И Я
МА Г Н Е Т Р О Н О В
(Настройка. Стабилизация. Вывод энергии. Холодные измерения)
МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО> 1974
УДК 621.385.642.3
С а м с о н о в |
Д . Е . Основы |
расчета |
и конструирования магнетронов. |
(Настройка . Стабилизация . Вывод |
энергии. |
Холодные измерения) . М., «Сов. |
|
р а д и о » , 1974, 328 |
с. |
|
|
Рассматривается круг вопросов, связанных с собственно кон струированием магнетронов разных типов и назначений. Излагаются способы механической, электрической и электронной настройки гене
раторов магнетронного типа. |
Описываются |
вопросы |
асимметричной |
и симметричной настройки и |
стабилизации |
частоты |
магнетронных |
генераторов полым резонатором. Значительное место отводится ме тодам расчета и конструирования выходных устройств. Особое вни мание уделяется теоретическому обоснованию и описанию методов
измерения параметров магнетронов — методов |
«холодных» измере |
||
ний, вошедших в практику. Рассмотренные |
методы |
могут |
быть |
использованы при конструировании как магнетронов, |
так и |
других |
|
классов ЭВП СВЧ (клистронов, ЛБВ и др.). |
|
|
|
Книга представляет интерес для инженеров-конструкторов, тех нологов и научных работников электровакуумной промышленности, разрабатывающих и изготавливающих высокостабильные и надеж ные генераторы и усилители магнетронного типа. Она будет полезна преподавателям и студентам старших курсов электровакуумных и радиотехнических вузов и техникумов.
147 рис., 14 табл., 189 назв. библ.
Редакция литературы по электронной технике
30407-011 с 046(01)-74 59-73
© Издательство «Советское радио», 1974.
Предисловие
В о п р о с ы, относящиеся к расчету, конструированию и технологии производства колебательных систем маг нетронов, были рассмотрены нами раньше [1]. К на
стоящему |
времени накопился |
большой |
информационный |
|
материал |
по |
расчету и р а з р а б о т к е |
н а с т р а и в а е м ы х |
|
(механически |
и электрически) |
стабилизированных и не- |
стабилизированных магнетронов, по расчету и кон
струированию выходных |
устройств, |
а |
т а к ж е по |
методике |
||||
«холодных» |
измерений |
п а р а м е т р о в |
магнетронов, |
кото |
||||
рый |
р а з б р о с а н по различным, |
р а з о б щ е н н ы м |
м е ж д у |
|||||
собой |
источникам. |
Ц е л е с о о б р а з н о |
поэтому осветить его |
|||||
в отдельной |
книге. |
|
|
|
|
|
|
|
Д а н н а я |
книга |
состоит из восьми глав . |
В |
первой |
||||
главе |
рассмотрены |
общие вопросы |
проблемы |
настройки |
и стабилизации магнетронных генераторов. В после дующих трех г л а в а х описаны конструкции и приведены характеристики магнетронных генераторов с механиче
ской, электрической |
и |
электронной |
перестройкой |
часто |
ты. В пятой и шестой |
г л а в а х книги |
рассмотрены |
вопро |
|
сы асимметрично^ |
и |
симметричной |
настройки и |
стаби |
л и з а ц и и частоты магнетронных генераторов полым
резонатором . |
С е д ь м а я г л а в а |
посвящена |
проблеме рас |
||||
чета и конструирования |
выходных устройств. В восьмой |
||||||
главе |
описаны методы |
измерения п а р а м е т р о в |
магне |
||||
тронов |
(«холодные» и з м е р е н и я ) . Б о л ь ш а я |
часть |
содер |
||||
ж а щ е г о с я в |
книге м а т е р и а л а |
публикуется |
впервые. |
||||
Основные |
расчетные |
соотношения |
в |
книге |
даны |
всистеме единиц С И , а вспомогательные расчетные
соотношения и |
графики приведены в наиболее удобном |
||
д л я практического использования виде. |
|
||
Во второй |
книге, к а к и в |
(1], автор |
стремился про |
а н а л и з и р о в а т ь |
и м а к с и м а л ь н о |
обобщить |
накопившийся |
за последние 25 лет опыт расчета и конструирования магнетронов и приборов магнетронного типа.
В этой трудной з а д а ч е автору была о к а з а н а неоце нимая помощь большими коллективами инженеров и научных работников различных организаций мини-
з
стерств электронной |
промышленности |
и |
высшего |
обра |
||||||
з о в а н и я |
С С С Р . |
В |
связи |
с |
этим |
автор |
считает |
своим |
||
приятным |
долгом выразить |
б л а г о д а р н о с т ь |
и н ж е н е р а м |
|||||||
В. К. Кетлерову, В . П . |
Еремину, |
Г. |
|
И. |
Бродуленко, |
|||||
Г. Б . Тайковой, |
Ю. Л . О б р а з с к о м у , |
А. |
П. |
Быкову; |
кан |
|||||
д и д а т а м |
техн. |
наук |
А. |
И. |
К а р н а у х у , |
|
К. |
В. Д и т м а н у , |
В. М. Л о м а к и н у , Л . В . П а н ч е н к о , Э. Д . Ш л и ф е р у , Л . И. Кишеневскому, М. А. Фурсаеву, И. Н . Хлебникову,
М. Ф. |
Воскобойнику, |
В. И. И н д ы к у , |
Г. Л . |
Соболеву, |
|
В. Ф. Н а г а е в у , А. Л . Булычеву, Г. Я. Левину, |
И. М. Виг- |
||||
дорчику, Ю. А. Вецгайлису, П. И. Мосьпану, |
А. П . |
Оги- |
|||
евской, |
Л . А. Семенову; д о к т о р а м техн. наук |
В . П. |
Са |
||
зонову, |
Р . А. Силину, |
М. Б . Цейтлину, |
М. И. |
Кузнецову |
и М. И. Хворову за предоставление ценного экспери
ментального |
м а т е р и а л |
а , |
полезное |
обсуждение |
работы, |
|
критические |
з а м е ч а н и я |
и советы. |
|
|
||
Особую |
признательность |
автор |
в ы р а ж а е т |
профессо |
||
р а м И. В. |
Л е б е д е в у и С. |
И. |
Бычкову за б о л ь ш у ю ра |
боту, проделанную при рецензировании первой и второй
книг, |
а к а д е м и к у Н . Д . |
Д е в я т к о в у за |
постоянное внима |
||
ние |
к |
работе |
автора, а |
т а к ж е инженеру Г. А. Груниче- |
|
вой |
за помощь |
в оформлении рукописи |
книги. |
Г л а в а I
Н А С Т Р О Й К А М А Г Н Е Т Р О Н Н Ы Х Г Е Н Е Р А Т О Р О В
1. |
Общие |
замечания |
П о д настройкой |
любого |
генератора п о д р а з у м е в а ю т |
процесс, при котором в результате внешнего или внут
реннего |
воздействия |
на |
колебательный контур |
генера |
|
тора осуществляется |
переход |
из одного колебательного |
|||
р е ж и м а |
в другой. П р и |
этом |
всегда стремятся |
получить |
л и ш ь перестройку частоты генерируемых колебаний,
сохранив |
неизменными |
все |
другие |
п а р а м е т р ы |
и |
х а р а к |
теристики |
колебательного |
р е ж и м а |
(мощность, к. |
п. д., |
||
стабильность и др.)- |
Последнее, |
однако, |
не |
всегда |
удается выполнить. Внутреннее воздействие на колеба
тельный |
контур |
генератора |
достигается |
воздействием |
|
электронных потоков, д в и ж у щ и х с я в |
пространстве |
||||
взаимодействия, |
на |
э к в и в а л е н т н ы е п а р а м е т р ы колеба |
|||
тельной |
системы. |
Внешнее |
воздействие |
м о ж е т быть |
осуществлено введением в к о л е б а т е л ь н у ю систему ге
нератора комплексных |
нагрузок, |
изменением объемов |
колебательных полостей |
(в том |
числе т о р ц е в ы х ) , вве |
дением в пространство взаимодействия или в колеба
тельную систему дополнительных |
электронных |
потоков, |
||||
а т а к ж е |
изменением |
связи колебательной |
системы |
|||
с внешними |
резонансными полостями . |
|
||||
С а м ы е общие соотношения, учитывающие |
внутрен |
|||||
ние и внешние воздействия на колебательный |
р е ж и м |
|||||
«идеального» |
(без потерь) |
полого резонатора, приве |
||||
дены в работе |
[2]. Из |
этих |
соотношений применительно |
|||
к а н а л и з у |
м е х а н и з м а |
настройки |
магнетронных |
генера- |
5
торов |
п р е д с т а в л я ю т |
|
интерес |
следующие |
два: |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.1) |
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ш2 = |
ю |
2 |
П |
+ |
Г ( Я 2 — |
£ 2 ) d V ' |
|
|
|
(1.2) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
s i* |
»; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь |
со — у г л о в а я |
частота колебаний |
системы, |
свя |
||||||||||||||
занной с |
внешними |
|
н а г р у з к а м и ; |
© 0 |
— собственная |
угло |
|||||||||||||
в а я частота |
колебаний |
вида |
а |
идеальной |
(без |
потерь) |
|||||||||||||
системы; |
© / |
— собственная |
у г л о в а я |
частота |
колебаний |
||||||||||||||
вида |
а |
реальной |
(с |
потерями) |
|
резонаторной |
|
системы |
|||||||||||
в |
отсутствие |
|
связи |
с |
нагрузкой; |
ео — |
д и э л е к т р и ч е с к а я |
||||||||||||
проницаемость |
в а к у у м а ; |
Е — н а п р я ж е н н о с т ь |
электриче |
||||||||||||||||
ского |
поля; |
Еа |
— нормированное |
|
высокочастотное |
элек |
|||||||||||||
трическое поле резонаторной системы колебаний |
вида а; |
||||||||||||||||||
На |
— нормированное |
|
высокочастотное |
магнитное |
поле |
||||||||||||||
резонаторной |
системы |
|
колебаний |
вида |
a; |
J — плотность |
полного тока в пространстве взаимодействия; Qa — соб
ственная |
( н е н а г р у ж е н н а я ) добротность |
резонаторной |
||||||
системы |
при |
к о л е б а н и я х |
вида |
a; Qm |
а п ~ |
внешняя |
до |
|
бротность |
резонаторной |
системы |
при к о л е б а н и я х вида а |
|||||
д л я волны |
типа п, р а с п р о с т р а н я ю щ е й с я |
в передающей |
||||||
линии; |
Zn—комплексное |
сопротивление |
нагрузки |
д л я |
||||
волны типа |
п и частоты |
е>; Zan |
— так |
н а з ы в а е м ы й |
«не |
резонансный» (медленно и з м е н я ю щ и й с я с изменением частоты) член функции входного сопротивления резо
наторной системы, п о р о ж д а е м ы й |
наличием в |
полости |
|||
других |
видов |
колебаний |
(кроме вида а), высших типов |
||
волн в |
месте |
соединения |
системы |
с п е р е д а ю щ е й |
линией |
и нескомпенсированной реактивности у элементов связи .
При выводе в ы р а ж е н |
и я (1.1) в работе [2] |
допуска |
лось, что распределение |
электромагнитного |
поля при |
к о л е б а н и я х вида а в резонаторной системе с потерями
сохраняется |
т а к и м |
ж е , как |
и в |
идеальной |
(без потерь) |
|||
системе. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Интегрирование |
в левой |
части в ы р а ж е н и я |
(1.1) ве |
|||||
дется по всему объему V резонаторной системы, а сум |
||||||||
мирование по л в |
правой |
части |
этого |
в ы р а ж е н и я — по |
||||
всем |
типам |
волн, |
р а с п р о с т р а н я ю щ и х с я |
в |
различных |
|||
выходных устройствах . Н а |
в ы р а ж е н и и |
(1.1) |
базируется |
|||||
теория |
генераторов |
сверхвысоких |
частот. |
|
|
|
6
|
Д е й с т в и т е л ь н о, |
л е в а я |
часть этого |
в ы р а ж е н и я |
может |
||||||||||||
быть |
|
интерпретирована |
как отношение |
|
эквивалентной |
||||||||||||
комплексной проводимости |
электронного |
п р о м е ж у т к а |
Ye |
||||||||||||||
к |
волновой |
проводимости |
резонаторной |
системы |
Yc. |
||||||||||||
В этом случае, как известно, качественный |
|
а н а л и з и |
|||||||||||||||
расчет |
колебательных |
р е ж и м о в |
сверхвысокочастотного |
||||||||||||||
генератора |
могут |
|
быть |
|
проведены |
методом |
эквивалент |
||||||||||
ных схем [2—8]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Теория электронной перестройки частоты магнетрон - • |
||||||||||||||||
ного |
генератора, |
|
осуществляемой |
изменением |
|
р е ж и м а |
|||||||||||
его |
работы |
(анодного |
тока, |
анодного |
н а п р я ж е н и я ) , |
так |
|||||||||||
ж е |
базируется на |
соотношении |
(1.1). |
В |
то |
ж е |
в р е м я |
||||||||||
теория |
механической перестройки |
частоты |
магнетронно- |
||||||||||||||
го |
генератора, |
осуществляемой |
изменением о б ъ е м а |
||||||||||||||
резонансных |
полостей |
резонаторной |
системы, |
базирует |
|||||||||||||
ся |
на |
в ы р а ж е н и и |
(1.2). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Действительно, |
|
из |
в ы р а ж е н и я |
(1.2) |
видно, |
что |
соб |
ственная частота со резонатора с деформированной
оболочкой в ы р а ж а е т с я |
собственной |
частотой |
соа коле |
баний вида а резонатора с недеформированной |
оболоч |
||
кой и интегралом £ (ff* |
— Е*) dV, |
взятым по |
объему |
v
деформированной части резонатора . Так, при смещении
оболочки внутрь |
полости |
собственная |
частота |
резона |
|||||||
тора увеличивается, |
если |
в |
месте |
смещения |
оболочки |
||||||
п р е о б л а д а е т магнитное |
поле, |
и |
уменьшается, |
если |
|||||||
в месте |
смещения |
оболочки |
п р е о б л а д а е т |
электрическое |
|||||||
поле. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В следующей г л а в е на |
основе |
ф о р м у л ы |
(1.2) |
описы |
|||||||
вается |
простейшая |
методика |
оценки |
д и а п а з о н а |
меха |
нической настройки частоты магнетронов с различными
типами элементов |
настройки . |
|
|
|
|
П р о б л е м а настройки магнетронных |
генераторов |
на |
|||
столько |
с л о ж н а , |
что осветить |
все в о з н и к а ю щ и е в связи |
||
с этой |
проблемой |
вопросы в |
одной или |
двух г л а в а х |
не |
представляется |
в о з м о ж н ы м . |
П о э т о м у |
целесообразно |
сосредоточить основное внимание на вопросах конструи
рования стабильно |
и |
н а д е ж н о р а б о т а ю щ и х магнетронов |
||||||
с перестройкой |
частоты. |
|
|
|
|
|||
С у щ е с т в у ю щ и е способы настройки |
магнетронов |
мож |
||||||
но р а з д е л и т ь |
на |
три |
категории |
по |
следующим |
при |
||
з н а к а м : |
|
|
|
|
|
|
|
|
1. П о |
х а р а к т е р у |
м е х а н и з м а |
настройки, осущест |
|||||
в л я ю щ е г о |
перестройку |
частоты, — на |
механические и |
7
электрические. Специфическими свойствами электриче
ской настройки |
я в л я ю т с я |
безынерциопность действия |
и |
|||||
м а л ы й д и а п а з о н |
настройки |
(от долей |
процента |
до |
не |
|||
скольких процентов при |
средних и |
больших |
уровнях |
|||||
м о щ н о с т и ) . |
М е х а н и ч е с к а я |
|
настройка |
более |
медленна, |
|||
но позволяет |
получить у ж е |
з а м е т н ы е |
д и а п а з о н ы |
пере |
стройки частоты (от нескольких единиц до нескольких
десятков |
процентов) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
2. |
П о |
х а р а к т е р у |
связи |
элементов |
настройки |
с резо- |
|||||||
наторной |
системой — на |
|
симметричные |
и |
асимметрич |
||||||||
ные *. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При |
асимметричной |
настройке |
н а б л ю д а ю т с я |
нару |
|||||||||
шение симметрии |
В Ч |
поля |
в |
процессе |
перестройки |
||||||||
частоты, |
непропорциональность |
перестройки |
собствен |
||||||||||
ных |
частот |
видов колебаний |
(изменение |
р а з д е л е н и я ви |
|||||||||
дов |
по |
частоте) |
и изменение |
нагруженности |
видов |
||||||||
колебаний |
по д и а п а з о н у |
перестройки. |
|
В |
частности, |
настройка магнетрона м о ж е т осуществляться через его выходное устройство.
С и м м е т р и ч н а я |
настройка |
и з б а в л е н а |
от |
первого |
не |
||||||
достатка, но не всегда от второго и третьего. |
|
|
|||||||||
3. |
П о |
х а р а к т е р у влияния |
элементов |
настройки |
на |
||||||
эквивалентные |
п а р а м е т р ы резонаторной |
|
системы — на |
||||||||
настройку изменением собственных |
п а р а м е т р о в |
резона |
|||||||||
торной системы и при помощи дополнительных |
полых |
||||||||||
резонаторов . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Основными |
свойствами настройки полым резонато |
||||||||||
ром |
я в л я ю т с я |
наличие |
дополнительных |
резонансных |
|||||||
частот |
(частот |
с в я з и ) , нелинейного |
хода |
перестройки |
|||||||
частоты |
и э ф ф е к т а |
стабилизации частоты. |
|
|
|
||||||
Н а с т р о й к а |
изменением |
собственных |
п а р а м е т р о в |
си |
стемы свободна, вообще говоря, от первого и второго недостатков . Она осуществляется изменением одновре
менно |
у всех резонаторов |
либо |
емкости, либо |
индуктив |
||||
ности, либо того и другого. |
|
|
|
|
|
|||
О д н а к о |
в этом случае |
элементы настройки практи |
||||||
чески |
не |
о к а з ы в а ю т с т а б и л и з и р у ю щ е г о |
действия |
на |
||||
колебательный |
р е ж и м магнетрона . |
|
|
|
||||
'Повышенная |
стабильность |
частоты |
генерируемых |
|||||
колебаний |
автоматически |
осуществляется |
л и ш ь |
при |
||||
настройке |
магнетрона полым резонатором . |
|
|
|
* Имеется в виду симметричность или асимметричность по коль цу анодного блока, т. е- настройка всех или одного резонатора,
8
П ри настройке полым |
резонатором, |
асимметрично} |
|
связанным с |
резонаторпой |
системой, с т а б и л ь н а я рабо |
|
та магнетрона |
м о ж е т быть |
р е а л и з о в а н а |
в сравнительно |
узком д и а п а з о н е перестройки частоты (5 — 7%) , вслед
ствие чего данный способ настройки не нашел |
широкого |
||||||
применения. |
|
|
|
|
|
|
|
Н а п р о т и в , при симметричной настройке |
магнетрона |
||||||
полым резонатором (например, |
в |
к о а к с и а л ь н ы х |
магне |
||||
тронах) |
м о ж е т |
быть |
достигнут |
достаточно |
большой |
||
диапазон |
перестройки |
частоты |
(более 10%) |
при |
высо |
||
кой стабильности |
колебаний (в |
|
несколько р а з |
превы |
ш а ю щ е й стабильность колебаний в обычных магнетро
нах) и достаточно высоком к. п. |
д. (50% |
и в ы ш е ) . |
По своей физической природе |
способы |
механической |
настройки магнетронов принципиально отличаются от
способов |
электрической |
настройки |
их. П о э т о м у |
все |
вопросы, |
связанные с |
проблемой |
электрической |
на |
стройки магнетронов, целесообразно выделить в отдель
ные |
главы . |
(Эти |
вопросы р а с с м а т р и в а ю т с я в |
третьей и |
четвертой главах |
настоящей работы.) |
|
||
В |
свою |
очередь, механические способы |
настройки |
частоты целесообразно подразделить на способы, при которых реактивные элементы (металлические стержни,
кольца, коронки и т. д . ) , |
о с у щ е с т в л я ю щ и е |
перестройку |
||||||
частоты, |
з а п а с а ю т в |
себе |
небольшие доли |
|
реактивной |
|||
энергии |
по |
сравнению |
с энергией, |
з а п а с а е м о й |
в резона |
|||
торпой системе, и способы, при которых |
|
реактивные |
||||||
элементы |
(дополнительные |
полые |
р е з о н а т о р ы ) , |
осуще |
||||
с т в л я ю щ и е |
перестройку частоты, |
з а п а с а ю т |
в |
себе |
боль |
шие доли энергии по сравнению с энергией в резонаторной системе.
В с е |
вопросы, |
с в я з а н н ы е с |
настройкой магнетрона |
||
полым |
резонатором, |
р а с с м а т р и в а ю т с я |
поэтому в от |
||
дельных |
главах |
книги |
(в пятой |
и шестой |
г л а в а х ) . |
2.О критериях оценки настраиваемых
истабилизированных генераторов
Очень |
часто |
на практике |
возникает необходимость |
||||
сравнивать |
различные |
типы |
н а с т р а и в а е м ы х |
генерато |
|||
ров, в том |
числе |
магнетроны, |
по |
эффективности |
пере |
||
стройки частоты тем или иным |
способом. П р и |
таких |
|||||
сравнениях |
обычно отвлекаются от оценки генераторов |
||||||
по другим |
выходным |
п а р а м е т р а м |
(выходная |
мощность, |
9