книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление
.pdfиспытывался на срок службы в течение более 5000 час, при этом каких-либо признаков ухудшения характери стик обнаружено не было. Эти испытания подтверждают большую долговечность приборов с холодным катодом.
Сравнительно недавно были разработаны магнетрон ные усилители прямой волны с эмиттирующим отрицатель ным электродом и замкнутым электронным потоком, ра ботающие в различных частотных диапазонах [4, 5].
У-9,5кв,
Ф и г. 6. Выходная мощность магнетронного |
усилителя |
5РО-212. |
|
Цифры у экспериментальных точек указывают величину |
к.п.д. в про |
центах. |
|
Можно ожидать, что упрощение, обусловленное исполь зованием модуляции при помощи управляющего элек трода в магнетронном усилителе, приведет к новым при менениям этих приборов почти во всем диапазоне СВЧ.
ЛИ Т Е Р А Т У Р А
1.М с В о ^ е П Н. Ь., Ап Ь-Ъапё сгоззеё-Пе1ё атрНПег Гог рЬа5её аггау гас!аг, 5ушр. Е1ес!гошса11её Зсаппеё Аггау ТесЬ. Арр1,
2. |
Ноше А1'г Оеуе1ор. СепГег, Ноше, 1Че\у Уогк, Арг. 1964. |
||||||
Н и 1 1 ё. Р. |
ЬШоп |
1пё. Е1ес!гоп ТиЬе 01у., Зап Саг1о5, Са1. |
|||||
3. |
(частное |
сообщение), |
1966. |
А., РегГогшапсе |
сЬагас!епзис$ |
||
Р е и 1п е г |
Р., |
\У I* 1с г е к |
|||||
|
оГ а |
ротуег, ри!зеё Х-Ьапё гееп!гап! зГгеат сгоззеё-ПеЫ аш- |
|||||
4. |
р1Шег, 1п1егп. Е1ес1гоп Оеукез Мее!., ^/азЫп^оп, Ос1. 1965. |
||||||
Н а п ё у |
Н. С., |
М с О 1 о с к |
С. Н., РегГогшапсе ГеаГигез оГ |
||||
|
ГЬезЫЬзиррогГеё шеапёег Ппе Гог Ы§Ь ро\уег Гопуагё \уауесго$- |
||||||
|
зеёПеЫ атрППег, |
1п!егп. Е1ес!гоп Оечкез Мее!., |
\УазЫпй!пп, |
||||
|
Ос!. 1965. |
|
|
|
|
|
|
5. Р е и 1 п е г |
Р., |
5 и з з т а п 3., Ап Х-Ьапс1 Ьгтеап! шауе БС |
орега^её сгоззеё-ПеЫ атрИПег, 1п1егп. Е1ес1гоп 0еУ1сез Мее!., |
||
\УазЫп§1оп, |
0с1. |
1966. |
2 .3 .3 . МАГНЕТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ С НЕЗАМКНУТЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПОТОКОМ
Х е л л , Х е с с и К у й е р с
I. Введение
Магнетронные усилители, которые рассматриваются в этом разделе, помимо большой мощности и высокого к. п. д. обладают рядом других важнейших свойств, кото рые выделяют их среди других приборов со скрещенными полями. Одни магнетронные усилители с незамкнутым потоком обладают усилением в широкой полосе, другие способны генерировать импульсные мощности в режиме автомодуляции, т. е. когда протеканием анодного тока управляет внешний ВЧ-сигнал. Таким образом, нам пред ставляется целесообразным в данной главе рассмотреть магнетронные усилители этого типа.
Магнетронные усилители можно разделить на две большие группы: приборы с инжектированным потоком и приборы с распределенной эмиссией. И те и другие могут иметь либо плоскую (линейную), либо цилиндри ческую конфигурацию. Магнетронный усилитель цилинд рической конфигурации с распределенной эмиссией мо жет иметь как замкнутый, так и разомкнутый поток. Здесь будут рассматриваться только приборы с незамкнутым потоком.
В магнетронных усилителях прямой волны с инжек тированным потоком в пространство взаимодействия меж ду замедляющей системой и отрицательным электродом со стороны ВЧ-входа вводится тонкий ленточный пучок электронов. Как видно из фиг. 1, в принципе этот при бор похож на ЛБВ с той лишь разницей, что вместо моду ляции по скорости в нем протекает процесс электронного взаимодействия, подобный процессу взаимодействия в магнетроне. Однако это различие в механизму цзаимодей-
ствия приводит к существенным различиям в основных характеристиках приборов.
Высокий к. п. д. магнетронного усилителя определяет ся процессом взаимодействия в скрещенных полях, при котором происходит прямое преобразование потенциаль ной энергии источника питания в энергию СВЧ практи чески без изменения кинетической энергии электронов. Благодаря автоматической фазовой фокусировке прост ранственного заряда при таком процессе взаимодействия
Вход Выход
Ф и г . 1. Схематическое изображение магнетронного усилителя с незамкнутым инжектированным потоком.
к. п. д. остается высоким в широком динамическом диапа зоне изменения рабочих параметров. Когда все электро ны полностью участвуют в процессе взаимодействия и попадают на замедляющую систему с синхронной ско ростью, усилитель оказывается в режиме насыщения. В этом режиме выходная мощность асимптотически стре мится к полезной мощности потока, т. е. к произведению полной мощности потока на электронный к. п. д. пол ностью взаимодействующих электронов1>. При увеличе-
х) Это утверждение справедливо при допущении, что замедляю щая система не имеет потерь.— Прим. ред.
нии входного сигнала сверх уровня, при котором дости гается насыщение, выходная мощность не снижается, потому что полностью провзаимодействовавшие электро ны выходят из пространства взаимодействия и не могут, следовательно, оказаться в неблагоприятной фазе1). По тем же причинам остается постоянным фазовый сдвиг и в режиме насыщения.
Чтобы получить большое стабильное усиление, выби рают плоский вариант прибора с замедляющей системой, подобной тем, какие используют в мощных ЛБВ. В ти пичном случае ЛБВМ с инжектированным потоком могут работать приблизительно при той же величине микропервеанса электронной пушки и обеспечивать тот же уровень выходной мощности, что и клистроны и ЛБВ с та ким же рабочим напряжением. Ширина полосы прибора определяется свойствами замедляющей системы. Как и в случае ЛБВ, для получения больших средних мощ ностей на повышенных частотах приходится использовать неоднородные замедляющие системы, характеризующиеся наличием пространственных гармоник12). При этом полоса частот ограничивается величиной примерно 30%, в то время как спиральные замедляющие системы позволяют достичь полосы шириной в октаву и более.
На фиг. 2 схематически изображен магнетронный уси литель с незамкнутым потоком и распределенной эмис сией. Процесс взаимодействия в приборе этого типа та кой же, как и в приборе с инжектированным потоком, за исключением того, что электроны эмиттируются со всей (или со значительной части.— Прим, ред.) поверхности отрицательного электрода.
Процесс взаимодействия, протекающий в магнетрон ном усилителе с распределенной эмиссией, особенно бла гоприятен для генерирования большой мощности при очень высоких первеансах, обусловленных большой эмис сией электронов. К тому же, поскольку эмиссия электро нов возрастает с ростом напряженности ВЧ-поля (это
1)При этом происходит лишь уменьшение коэффициента уси ления.— Прим. ред.
2)Имеются в виду различные модификации «гребенок». По-ви димому, возможно использование систем, работающих не на основ ной гармонике.— Прим. ред.
определяется тем же самым механизмом обратной бомбар дировки, что и в магнетронах), в характеристике магне тронного усилителя с незамкнутым потоком и распреде ленной эмиссией нет заметно выраженной области насы
щения по |
мощности. |
|
|
|
Другое важное свойство приборов с распределенной |
||||
эмиссией |
заключается |
в |
возможности автомодуляции |
|
В ход |
|
|
Выход |
|
|
З а м ед ляю щ ая |
сист ем а |
||
X " Э лект рон ны й |
|
|
|
|
В О |
поток 2 |
^ |
2 |
|
Холодный |
к а т о д |
|
Неэмит т ирую щ ий |
|
|
|
|
|
отрицательный электрод д < 1 |
Ист очник + пит ан ия -
постоянного
тока
Фи г. 2. Схематическое изображение магнетронного уси лителя с распределенной эмиссией п незамкнутым элек
тронным потоком.
входным СВЧ-сигналом. Катод может работать как хо лодный вторично-электронный эмиттер. В отсутствие пер вичной эмиссии, поступление электронов в пространство' взаимодействия обеспечивается обратной электронной бомбардировкой, обусловленной действием ВЧ-полей в системе. Когда в замедляющей системе нет энергии ВЧ (а на катод подано постоянное напряжение), постоянного тока через прибор практически не будет. Подача на вход ВЧ-импульса обусловливает нарастание вторичной эмис сии и процесс ВЧ-взаимодействия, в результате чего на чинает протекать анодный ток. Когда входной ВЧ-им- пульс прекращается, прибор автоматически выключается и ведет себя далее как пассивная передающая линия. Так как*в данном случае поток разомкнут и не вызывает ре-
генерации, для выключения прибора не требуется гася щего «выключающего» импульса. Следовательно, магне тронный усилитель с автоматическим запуском (он по лучил название «дематрон») работает непосредственно от источника постоянного тока и является самовыключаю щимся прибором.
Магнетронный усилитель с распределенной эмиссией вследствие очень большой плотности пространственного заряда обладает еще лучшей фазовой стабильностью, чем усилитель с инжектированным потоком. Для него характерна также отличная фазовая линейность. Измене ние электрической длины прибора по сравнению с дли ной холодной линии передачи определяется в основном скоростью очень плотного электронного потока. Скорость электронов можно регулировать, меняя магнитное поле по определенной программе; в результате оказывается возможным эксплуатировать множество приборов при одном и том же рабочем напряжении. Эта особенность в сочетании с простотой требуемого источника питания позволяет практически реализовать параллельную работу многих приборов.
11. Основные характеристики магнетронных усилителей непрерывного действия
с инжектированным потоком
Разработка мощных магнетронных усилителей непре рывного действия с инжектированным потоком ведется широким фронтом в различных диапазонах частот и мощ ностей. Сейчас создаются приборы во всем диапазоне частот от 300 до 17 500 Мгц. Представление о разработках приборов этого типа на современном этапе дает табл. 1.
Некоторые из приборов, указанных в таблице, разра батываются уже несколько лет, и их разработки продви нулись далеко вперед. Эти более старые.приборы обычно имеют больший вес, меньшую мощность (в данном частот ном диапазоне) и несколько меньшее усиление. Типич ными представителями таких приборов являются усили тели Ь-3652 и Ь-3675. Но современное состояние лучше характеризуется прибором Ь-3913, выходная мощность которого в зависимости от частоты показана на фиг. 3.
Магнетронные усилители непрерывного действия с инжектированным потоком
Тип1) |
|
Выходная мощность |
Усиление |
|
|
|
|
|
частот, Ггц |
(непрерывный |
при насы- |
Размеры, см |
Вес, кг |
Примечания |
|
||
|
|
режим), кет |
Щецин, |
до |
|
|
|
|
1-3767 |
0 ,3 -1 ,0 |
22) |
12—16 |
|
Пока не выпускается |
В разработке: испытан на |
долговечность |
|
|
|
1,2 |
|
|
|
|
в течение более 1000 час |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,-3766 |
2,6—3,2 |
2 |
12—16 |
|
Пока не выпус!кается В разработке |
|
||
' -3913 |
7 ,2 -8 ,8 |
1,5 |
22—24 |
|
9,5.10,2-61 |
18,2 |
Разработанные образцы находятся в экс |
|
Т--3652С |
8,5—9,6 |
0,85 |
22—24 |
* |
11,4-17,8.5,3 |
29,5 |
плуатации у потребителя |
|
Ограниченный выпуск |
|
|||||||
1-3765 |
9,6—10.3 |
0,5 |
22—24 |
|
|
|
|
|
8,8—10,4 |
1 |
13—16 |
|
8,9-8,9.56 |
15 |
Ограниченный выпуск |
|
|
1-3974 |
14,5-16,5 |
0,25 |
22—24 |
|
8,25-8,9.48 |
11,3 |
В разработке |
|
^5031 |
15,5—17,5 |
0,25 |
22—24 |
|
8,25.8,9-48 |
11,3 |
В разработке: в ближайшее |
время будет |
|
|
|
|
|
|
|
выпускаться серийно |
|
1)Приведены данные по приборам фирмы «сЛиттон», так как в период написания книги только эта фирма выпускала подобные уси лители для работы в непрерывном режиме.
2)Импульсный режим.
Приборы, приведенные в табл. 1, по конструкции можно разделить на две основные группы: относительно высокочастотные приборы, в которых обычно использу ются периодически нагруженные замедляющие системы, и более широкополосные сравнительно низкочастотные приборы, в которых используются спиральные замедляю щие системы. Чтобы составить лучшее представление об этих приборах, рассмотрим типичные приборы каждой
Усиление, дб
Ф и г. 3. Выходная мощность и усиление в режиме насыщения в зависимости от частоты для магнетронного усилителя Ь-3913 с ин
жектированным потоком.
1'|С= - 11.4 кв. ^отр.9._к - - 4 .3 кв, 1а- 0.65 а. РПХГ= .Ю вт.
из двух групп, а именно усилитель Ь-3974 2-сантиметро вого диапазона как пример высокочастотных приборов и усилитель 1--3767 как пример широкополосных низко частотных приборов.
Разрабатываемый в настоящее время магнетронный усилитель Ь-3774 с инжектированным потоком является типичным мощным прибором СВЧ с периодически нагру женной замедляющей системой. Общий вид прибора, помещенного в постоянный магнит, показан на фиг. 4. Внешняя часть магнитной системы, замыкающая магнит