книги из ГПНТБ / Учебник радиометриста флота учебник для школ и учебных отрядов ВМФ

накала. Для защиты источника накала от токов высокой часто­ ты в цепь накала обычно включают четвертьволновые отрезки короткозамкнутых коаксиальных линий. С торцевой стороны катода ставят пластинки, экранирующие пространство взаимо­ действия и устраняющие утечку из него электронов.

Анодный блок заключен в металлический кожух с высоким вакуумом. Магнетроны помещаются между полюсами постоян­ ного магнита или электромагнита, создающего в пространстве

Рис. 197. Конструкция многорезонатор­ ного магнетрона

взаимодействия сильное магнитное поле. Силовые линии маг­ нитного поля направляются параллельно оси катода (или анод­ ного блока). В некоторых типах магнетронов, получивших на­ звание пакетных, магниты объединяются в общую с магнетро­ ном конструкцию, что позволяет ближе расположить магнит­ ные полюсы и получить необходимую индукцию от магнита меньших размеров.

В схемах магнетронных передатчиков анодный блок, а сле­ довательно, и положительный полюс анодного источника тока заземляют, так как изолировать массивный анод от корпуса значительно сложнее, чем катод. Высокое импульсное напряже­ ние отрицательной полярности прямоугольной формы подается на катод непосредственно от модулятора или через импульс­ ный трансформатор.

Принцип работы магнетрона основан на взаимодействии вращающегося электронного потока с переменным электриче­

2 0 0

ским полем резонаторов, в результате которого электронный поток тормозится и отдает энергию резонаторам, поддерживая и развивая в них колебания. Управление электронами в магнет­ роне осуществляется постоянным электрическим полем, направ­ ленным радиально от анода к катоду, постоянным магнитным полем, направленным вдоль катода и перпендикулярным элект­ рическому полю, переменным высокочастотным полем резона­ торов. Под воздействием электрического поля электроны, выле­ тающие из катода, должны лететь прямолинейно к аноду, уве­ личивая скорость по мере приближения к нему (рис. 198, траек­ тория 1).

Направление тока во внешней цепи будет от анода к като­ ду. При своем перемещении электроны пересекают магнитные силовые линии. Поэтому они в магнитном поле будут отклонять­ ся от первоначального направления (по правилу левой руки). Чем сильнее поле магнита и больше скорость перемещения электронов, тем это отклонение больше (траектории 2 и 3). При достаточно сильном магнитном поле траектории электронов мо­ гут быть такими, что электроны не попадут на анод, а возвра­ тятся обратно на катод (траектории 4 и 5). Приближаясь к аноду, электроны потребляют энергию источника, так как летят под воздействием электрического поля, а удаляясь от анода, отдают энергию обратно, так как под воздействием магнитного поля они начинают двигаться против сил электрического поля (от «плюса» к «минусу»), которое в этом случае замедляет их движение. Так как электроны в этом случае на анод не попа­ дают, то анодный ток магнетрона отсутствует. Величина индук­ ции магнитного поля Вкр, при которой электроны пролетают в непосредственной близости от анода, не попадая на него, назы­ вается критической. Для магнитов магнетрона величина индук­ ции выбирается несколько больше критической.

В пространстве между анодом и катодом магнетрона движет­ ся огромное количество электронов. Они беспорядочно выле­ тают из катода и также беспорядочно возвращаются обратно. Однако число находящихся в пространстве взаимодействия электронов практически остается постоянным. Они образуют между анодом и катодом вращающийся пространственный за­ ряд. Такой пространственный заряд возбуждает в резонаторах колебательный процесс. Первоначальна колебательный процесс может возникнуть пз-за случайной неравномерной плотности пространственного заряда или из-за попадания части электронов на какой-либо участок анода. Это приводит к изменению по­ тенциала этого участка и последующему выравниванию потен­ циала вдоль всей поверхности. При этом в каждом резонаторе образуются переменные магнитное и электрическое поля. На рис. 199, а видно, что соседние участки анода имеют перемен­ ные потенциалы противоположной полярности. Под действием образовавшегося переменного электрического поля электроны,

201

находящиеся под резонаторами 1, 3 и 5, ускоряют свое движе­ ние, так как перемещаются в направлении к положительным участкам анода. В то же время электроны, находящиеся под резонаторами 2, 4, 6, замедляют свое движение, потому что пе­ ремещаются в направлении к отрицательно заряженным участ­ кам анода. Таким образом, в результате взаимодействия вра­ щающегося пространственного заряда с высокочастотным пере­ менным полем резонаторов под положительно заряженными

Рис.	198. Зависимость			Рис. 199. Принцип образования колеба-
траекторнн		движения!		нин в магнетроне
электронов		в	магне­
троне от напряженно­
сти	магнитного		поля

участками анода (А , В и Д) плотность пространственного за­ ряда увеличится, а под отрицательно заряженными (Б, Г и Е) уменьшится. Поэтому форма пространственного заряда имеет спицеобразную форму (рис. 1199, б). Число’спиц равно поло­ вине числа резонаторов. В спицах электроны совершают слож­ ные петлеобразные движения, а сами спицы вращаются с постоянной угловой скоростью вокруг оси катода. В процессе вращения спицы (сгустки электронов) проходят мимо щелей ре­ зонаторов в направлении от положительного участка анода к отрицательному. При этом электроны тормозятся полем резона­ тора и отдают часть своей энергии резонаторам, поддерживая возникшие в них колебания. Часть электронов, отдавших свою энергию, значительно уменьшают скорость своего движения. Поэтому они слабее отклоняются магнитным полем и под дейст­ вием постоянного анодного напряжения «падают» с концов спиц на анод, образуя анодный ток магнетрона. Для поддержа­ ния незатухающих колебаний в резонаторах необходимо, чтобы спицы пространственного заряда проходили мимо щелей резо­ наторов в тот момент, когда их поле оказывается для электро­ нов тормозящим. Так как заряды соседних участков магнетро­ нов в процессе колебаний меняются через каждые полпериода, то пространственный заряд должен вращаться с такой ско-

.ростью, чтобы спицы его за это время проходили расстояние

2 0 2

между соседними резонаторами и вновь попадали в тормозя­ щее поле щелей. Такая скорость его вращения достигается под­

бором величины анодного напряжения магнетрона Ей и индук­ ции магнитного поля В.

. Х а р а к т е р и с т и к и м а г н е т р о н а . Режим работы маг­ нетронного генератора выбирают по рабочим и нагрузочным

Рис. 200. Рабочие характеристики магнетрона

характеристикам. Рабочие характеристики выражают зависи­ мость колебательной мощности Р, к. п. д. и генерируемой часто­ ты f от анодного напряжения £ а, постоянной составляющей анодного тока / а и магнитной индукции В при неизменном со­

противлении полезной нагрузки. Рабочие характеристики маг­ нетрона снимаются экспериментально и изображаются в виде семейств кривых (рис. 200).

203

Существенным недостатком магнетронов является зависи­ мость их частоты от режима работы. Электронное смещение ча­ стоты (э. с. ч.) оценивается коэффициентом Kf, который опреде­ ляется как отношение приращения частоты Af к соответствую­ щему приращению тока / а- В зависимости от диапазона прак­ тически /(/ = 0,05 н-0,3 МГц/А.

Вторым существенным недостатком магнетрона является яв­ ление затягивания частоты, т. е. изменения частоты и полезной мощности под влиянием изменения нагрузки. Это явление вред­ но. Оно особенно сильно проявляется при нарушении согласова­ ния внутреннего сопротивления магнетрона с волновым сопро­ тивлением волновода или коаксиальной линии. При каждой сме­ не магнетрона следует тщательно настраивать фидерную систе­ му, добиваясь наилучшего значения коэффициента бегущей волны.

Магнетроны применяются с настройкой частоты колебаний

ибез нее.

Вненастраиваемых магнетронах с помощью регулировки на­ грузки и режима можно изменять частоту колебаний в преде­ лах ±1% основной частоты. В перестраиваемых (диапазонных) магнетронах частота регулируется. Перестройка частоты осу­ ществляется изменением параметров колебательной системы:

индуктивности — изменением объема резонаторов вводом в них стержней; емкости — изменением размера щелей резонаторов вводом в них ножевых пластин; изменением емкости связок. Од­ новременным изменением всех элементов настройки можно обе­ спечить перестройку магнетронов в пределах до ±20% средней частоты.

§ 4. Клистронные генераторы

Для усиления мощности и генерирования колебаний в диа­ пазоне сантиметровых волн применяются пролетные (двухре­ зонаторные и многорезонаторные) и отражательные клистроны. Они относятся к вакуумным приборам, действие которых осно­ вано на принципе скоростной модуляции.

Двухрезонаторный клистрон (рис. 201) состоит из электрон­ ной пушки, двух объемных резонаторов и коллектора. Электрон­ ная пушка (ЭП), состоящая из катода К и двух электродов С и У, формирует узкий пучок электронов и сообщает ему дви­ жение в направлении коллектора. Объемные резонаторы Р i и Р2 настраиваются в резонанс с частотой усиливаемого сигнала. В их средней части для пролета электронов имеются закрытые сетками отверстия. Во внутренние полости резонаторов вводят­ ся петли связи ПСг и ПС2.

Принцип работы пролетного клистрона основан на взаимо­ действии электронного потока с переменными электрическими полями резонаторов, в результате которого электронный поток модулируется первым резонатором, а затем тормозится и от­

204

дает энергию второму резонатору, развивая и поддерживая в нем колебания. Электроны при пролете первого резонатора подвергаются действию напряжения на сетках Р\ и скорость их становится разной; этот процесс назван модуляцией по ско- PQCTU. Электроны, имеющие большую скорость, будут догонять электроны, движущиеся с меньшей скоростью. В местах встречи образуются сгустки или группы электронов. В месте образова­ ния сгустков электронов располагаются сетки второго резона-

Рис. 201. Схема устройства двухрезонаторного кли­ строна

тора Р2. Сгустки электронов наводят в резонаторе Р2 перемен­ ный ток, а на его сетках — напряжение со значительной ампли­ тудой. Электрическое поле, возникающее при этом между сет­ ками, тормозит движение последующих электронных сгустков, вызывая выделение в резонаторе усиленной колебательной мощ­ ности. Один из основных недостатков простых двухрезонатор­ ных клистронов — низкий коэффициент полезного действия, со­ ставляющий на практике менее 20—25%'. Это вызвано недо­ статочным группированием электронов в сгустки, получающим­ ся при модуляции по скорости только в одном резонаторе.

Трехрезонаторный клистрон является более совершенным уст­ ройством (рис. 202). Принцип действия его такой же, как и двухрезонаторного клистрона. Но пучок электронов движется в металлической трубке пролета Г. Объемные резонаторы Л , Р2, Р3 клистрона бессеточные. Они расположены на трубке й связаны с ее внутренним пространством кольцевыми щелями Щ. При такой конструкции устраняются потери от столкновения электронов с проводами сеток. Взаимодействие электронного пучка с полями объемных резонаторов осуществляется через щели. Модуляция электронов по скорости начинается в кольце­ вой щели первого резонатора. Скоростью электронов управляет переменное электрическое поле, возникающее у щели при воз­ буждении в резонаторе усиливаемых колебаний через петлю связи ПС\. При более высоких частотах усиливаемые колеба­ ния подводятся через волновод. После первого резонатора час-

205

тпчно сгруппированные электроны пролетают щель второго ре­ зонатора, где п завершается их модуляция по скорости. Вто­ рой резонатор настроен в резонанс с частотой основного колебания, поэтому пролетающие мимо-щели электроны наво­ дят в нем ток, а в щели — переменное электрическое поле. Будучи сильнее, чем в первом резонаторе, оно значительно углубляет модуляцию по скорости, обеспечивая лучшее обра­ зование электронных сгустков. Этот процесс получил название

каскадной группировки.

Рис. 202. Схема устройства трехрезонатор­ ного клистрона с бессеточными резонато­ рами

На трубке пролета клистрона располагаются фокусирующие катушки ФК, создающие вдоль оси клистрона постоянное маг­ нитное поле, поддерживающее параллельность траекторий дви­ жения электронов. Оно ослабляет также расталкивание элек­ тронов в пучке и исключает удары их о стенки трубки пролета. Коэффициент полезного действия трехрезонаториых клистронов повышается до 30—40%, а импульсная мощность — до 30 МВт. К аноду клистрона в импульсе прикладывается ускоряющее напряжение 350—400 кВ. При небольшой расстройке промежу­

точных	резонаторов в		рассмотренных клистронах удается-			по­
лучить	неискаженное		усиление полосы частот, соответствую­
щей ширине		видеосигнала,		что	позволяет использовать	их
в современных		телевизионных		и	радиолокационных передаю­

щих устройствах. В последние годы разработаны многорезона­ торные пролетные клистроны с повышенными к. п. д. (до 60— 80%) и мощностью в диапазоне волн от 0,8 до 150 см.

На рис. 203 схематически изображен твистрон. В нем вы­ ходной резонатор заменен замедляющей системой (ЗС). В ре­ зультате получается более продолжительное и более глубокое

торможениеэлектронных		сгустков. Включение		в конструкцию
элементов	замедляющих	систем	кроме ■повышения к. и. д. и
улучшения	усилительных	свойств	существенно	расширяет по­

лосу усиливаемых частот без расстройки резонаторов.

206

Клистроны разрабатываются во всех диапазонах СВЧ. Мощ­ ность клистронов в 10-см диапазоне достигает 40 МВт в им­ пульсном режиме и нескольких киловатт в непрерывном режиме. Стабильность частоты передатчиков с клистронными генераторами может быть высокой, так как определяется ста­ бильностью частоты маломощных возбудителей. Долговечность клистронов порядка 3000 ч.

вс
1	к
зп	6
L T W
ПСШ .
ЛСят
Рис. 203. Схема твистрона

Основными недостатками клпстронных генераторов явля­ ются узкополосность, трудности настройки в диапазоне, очень высокие рабочие напряжения, большие габариты и масса.

Отражательный клистрон предназначен для генерирования волн сантиметрового диапазона небольшой мощности. В' его конструкцию (рис. 204, а) входят катод 5 с подогревателем 6, фокусирующий и ускоряющий электроды 3 и 4, объемный резо-

Рис. 204. Конструктивная схема отражательного кли­ строна (а); траектории движения электронов в кли­ строне (б); зависимость напряжения между сетками резонатора от времени (а)

натор 1, обычно тороидальной формы, с сетками в центральной части, и отражатель 2. К фокусирующему электроду относи­ тельно катода прикладывается небольшое положительное или отрицательное напряжение, изменением которого регулируется ток электронного потока. На ускоряющий электрод подается положительное по отношению к катоду постоянное напряже­

207

ние Еу, под влиянием которого электронный поток проходит сквозь сетки резонатора и попадает в пространство между вто­ рой сеткой и отражателем. На отражатель подается отрица­ тельное напряжение. При включении питания первые электроны, пролетая сетки резонатора, возбуждают в нем колебания. Воз­ никшее на сетках резонатора переменное напряжение модули­ рует по скорости электронный поток. При дальнейшем движении (за сетками) электроны встречают тормозящее электрическое поле отражателя, которое останавливает их и отталкивает обратно к сеткам резонатора. В процессе обратногодвижения электроны группируются в сгустки, вновь пролетают сетки, тор­ мозятся и отдают свою кинетическую энергию резонатору, под­ держивая в нем колебания.

Процесс	образования		сгустков	электронов	показан на
рнс. 204, б, в,	где в одинаковом масштабе времени изображены
траектории различных		электронов		и переменное	напряжение
u = y(t) между сетками резонатора.				t = 0 и максимальном уско­
Электрон	1 покидает	сетки при
ряющем поле	(ы = +ммаке),		поэтому ом приобретает максималь­

ную скорость. Этот электрон поднимается над второй сеткой на высоту hi hi возвращается к сеткам в момент t\. Его путь ока­

зывается наиболее длинным, а время		пролета — наиболее про­
должительным.	Электрон 2 отделяется от второй сетки через
четверть периода после электрона- 1,		когда напряжение и = 0.
Этот электрон	пролетает сетки, не меняя скорости, и, попадая
в тормозящее	поле, поднимается на	высоту /г2<Л]. К сеткам

резонатора он возвращается вместе с электроном /. Более поздний электрон 3 пролетает сетки при максимальном тормо­ зящем поле, вследствие чего скорость его уменьшается. Его путь, высота Л3 и время пробега меньше, чем у электронов 1 и 2. Следовательно, электрон 3 возвратится к сеткам резонатора одновременно с первыми двумя, образуя сгусток. В каждый период между сетками может образоваться только один сгус­ ток. Для самовозбуждения генератора необходимо так подоб­ рать напряжения на электродах клистрона, чтобы сгустки элек­ тронов подлетали к сеткам резонатора с частотой его собствен­ ных колебаний в тот момент, когда переменное поле будет тормозящим. Настройка клистрона на рабочую волну осуществ­ ляется изменением объема резонатора. Точно подстраивать частоту клистрона можно, изменяя напряжение на отражателе. При увеличении отрицательного напряжения на отражателе его тормозящее действие становится сильнее. Электроны будут быстрее возвращаться к сеткам резонатора, и частота колеба­ ний увеличится. '

Отражательные клистроны изготовляют с внешними и внут­ ренними резонаторами. В диапазоне волн от 2,5 до 60 см при­ меняются стеклянные клистроны, в диапазоне короче 3 см — металлические,

208

Недостатками отражательных клистронов являются большая зависимость частоты колебаний от стабильности напряжения источника питания, сравнительно высокий уровень шумов и очень малый к. п. д. (0,03—3%).

§ 5. Генераторы и усилители на лампах бегущей и обратной волн

В последнее время все большее применение находят гене­ раторные приборы СВЧ, в которых протяженный электронный поток взаимодействует с волнами, распространяющимися вдоль нерезонансных замедляющих систем. Эти приборы получили название ламп с бегущими волнами (ЛБВ). Различают два класса ЛБВ: типа О (обычные) и типа М (магнетронные).

В обычных ЛБВ электронный поток фокусируется продоль­ ным магнитным полем, в магнетронных ЛБВ — поперечными (скрещенными) электрическим и магнитным полями. Каждый из этих классов в зависимости от направлений электронного потока и бегущей волны включает лампы с прямой (совпадаю­ щей) бегущей волной ЛПБВ и лампы с обратной (встречной)

бегущей волной ЛОБВ. Лампы с прямой бегущей волной типа О" часто называют просто ЛБВ.

Работа ЛБВ основана на длительном взаимодействии элек­

тромагнитного поля бегущей	волны усиливаемого колебания
с движущимся в том же направлении потоком электронов.
На рис. 205 изображено	схематическое устройство ЛБВ.

В ней поток движущихся электронов эмиттируется электронной пушкой ЭП, включающей нить накала, катод, фокусирующий электрод и два анода.

СП — металлическая спираль. Начало и конец ее отогнуты вдоль оси лампы и образуют небольшие антеннки связи. За спиралью расположен коллектор К. Все названные элементы размещены в стеклянном баллоне под вакуумом. При работе лампа вставляется в металлическую трубку, которая вместе со спиралью составляет отрезок коаксиальной линии, называемой линией задержки или замедляющей системой. Ближе к элек­ тронной пушке в металлическую трубку входит волновод В 1ш Такой же волновод В2 расположен на другом конце трубки для отвода усиленных колебаний к нагрузке. Волноводы согласу­ ются с антеннками связи и спиралью с помощью передвижных поршней П 1 и П2, поэтому усиливаемые колебания в спираль­ ной линии распространяются в форме бегущей волны (без отражений). На металлическую трубку надеты фокусирующие катушки ФК. Они предотвращают расползание электронного потока вследствие явления расталкивания электронов и сжи­ мают его в узкий пучок, движущийся по оси спирали, не заде­ вая ее провода. На электроды лампы подаются питающие на­ пряжения. Колебания, подлежащие усилению, подаются на вход­

209