книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

в сложных системах большой мощности. Конструкция лампы отличается простотой и прочностью. Широкий выбор замедляющих систем позволяет разработчику най­ ти приемлемый компромисс между уровнем мощности прибора и его размерами.

Амплитрон чаще используют как усилитель, но его легко можно превратить в эффективный и высокостабиль­ ный генератор, если часть энергии с выхода подать на вход через стабилизирующий резонатор. Такой генера­ тор называют стабилотроном [4].

11.Принцип действия

Вамплитроне используется тот же процесс взаимодей­ ствия в скрещенных полях, что и в обычном магнетрон­ ном генераторе. Прибор, схематически показанный на фиг* 1, состоит из катода, который эмиттирует электро­ ны, и замедляющей системы, расположенной концентрично с катодом, по которой распространяется волна, взаимо­ действующая с электронами. Параллельно оси катода создается статическое магнитное поле. Чтобы ввести при­ бор в рабочий режим, между катодом и анодом при по­ мощи внешнего источника напряжения создается электри­ ческое поле, напряженность которого постепенно повы­ шают вплоть до рабочего значения. Под действием элек­ трического поля электроны покидают катод, а под влиянием магнитного поля начинают вращаться по концентрическим (относительно катода) окружностям. Угловая скорость электронов растет с увеличением на­ пряженности электрического поля, и при некотором ее значении электроны начинают вращаться почти с такой же угловой скоростью, что и ВЧ-волна, введенная в за­ медляющую систему. При наступившем синхронизме из электронов формируются «спицы» пространственного за­ ряда. Вращающиеся спицы пространственного заряда наводят в замедляющей системе ВЧ-токи.

Ротор, образованный пространственным зарядом, во многом напоминает ротор обычного низкочастотного ге­ нератора переменного тока. Роторы обоих типов совер­ шают работу в полях системы, в которой они вращаются,

иоба ротора преобразуют энергию из одной формы в

другую. В низкочастотном генераторе ротор приводится во вращение механическим моментом и механическая энергия превращается в электрическую. В амплитроне момент вращения обусловлен поведением электрона в «скрещенных», т. е. нормальных друг к другу, электри­ ческом и магнитном полях и энергия постоянного тока преобразуется в СВЧ-эиергию.

Ф и г . 1. Схематическое изображение амплнтрона.

Для дальнейшего описания работы амплитрона как сверхмощного генератора следует рассмотреть траекто­ рию движения электрона от катода к аноду. Поскольку источник питания постоянного тока включен между ка­ тодом и анодом, электрон, покидая катод, обладает всей потенциальной энергией источника питания. В зависи­ мости от фазы выхода электрона относительно вращаю­ щихся «спиц» пространственного заряда электрон либо быстро попадает в одну из спиц, либо быстро возвращает­ ся на катод. Если электрон попадает в одну из вращаю­ щихся спиц, то небольшая часть его потенциальной энер­ гии преобразуется в кинетическую энергию вращения, связанную с синхронным вращением спиц. Остальная потенциальная энергия по мере движения электрона от

катода к аноду преобразуется непосредственно в СВЧэнергию. Таким образом, эффективность преобразования энергии постоянного 'тока в СВЧ-эиергию может быть очень высокой. В проводившихся экспериментах удава­ лось получать к. п. д. преобразования до 90%. Посколь­ ку электроны ударяются об анод с некоторой остаточной энергией, эта кинетическая энергия превращается в теп­ лоту, которая должна быть рассеяна.

Электроны, движущиеся к катоду, также играют свою роль; они определяют одно из наиболее интересных свойств амплитрона и магнетрона, а именно способность этих приборов работать без термоэлектронного катода. В мощ­ ных приборах электроны, возвращающиеся на катод, успевают получить от ВЧ-поля достаточно энергии, что­ бы обеспечить требуемую вторичную эмиссию соответст­ вующего вторично-электронного катода. Эмиттируемые этим катодом вторичные электроны образуют электрон­ ный поток, направленный к аноду и электронный поток, направленный к катоду и поддерживающий необходимую вторичную эмиссию. Кинетическая энергия электронов, бомбардирующих катод, преобразуется в тепло. Количе­ ство выделяемой на катоде тепловой энергии составляет приблизительно 2—3% от подводимой мощности постоян­ ного тока, и в мощном амплитроне эту энергию целесо­ образнее отводить с помощью охлаждающего агента, протекающего непосредственно под поверхностью катода. В амплитроне вторично-эмиссионный процесс автоматиче­ ски начинается после включения анодного напряжения и подачи ВЧ-энергин на вход; таким образом, не нужны ни первичный катод, ни какое-либо другое пусковое устройство. Поскольку не известно никаких ограничений, накладываемых на долговечность таких вторично-эмис­ сионных эмиттеров, как платина, и поскольку эрозия поверхности пренебрежимо мала, можно ожидать, что такие катоды будут работать неограниченно долго. Это обстоятельство позволяет надеяться, что мощные гене­ раторы СВЧ смогут в конце концов по своей долговеч­ ности и надежности подняться до уровня других компо­ нентов, используемых в настоящее время в энергетике.

Возможности получения больших мощностей в сверх­ мощном амплитроне определяются, во-первых, его высо­

ким к. п. д., который дает возможность свести к мини­ муму потери энергии, выделяющейся в виде тепла, и, во-вторых, высокопроизводительной системой охлажде­ ния, которая эффективно отводит это тепло. Сочетание этих двух факторов позволяет амплитрону отдавать ВЧ-мощность до 60 кет с каждого квадратного дюйма пространства взаимодействия (9,3 кет/см2). Вследствие высокого к. п. д. прибора и сравнительно небольшого расхода охлаждающей жидкости мощность, требуемая для работы системы охлаждения, не превышает 5% всей подводимой мощности, а во многих случаях она даже меньше 2%.

III. Характеристики амплитрона как элемента системы

Как элемент системы амплитрон удобнее всего пред­ ставить в виде активного четырехполюсника с направлен­ ными свойствами (фиг. 2). Когда на вход амплитрона подается ВЧ-сигнал, то уровень его на выходе сильно возрастает. Но если ВЧ-сигнал подается на выходные за­ жимы, то уровень сигнала на входе практически не по­ вышается и не понижается. Изменение фазы сигнала 0ф при прохождении через амплитрон в первом приближении не зависит от направления распространения сигнала. Направленные свойства амплитрона меняются на про­ тивоположные, если полярность магнитного поля изме­ нить на обратную.

Рассмотрим на основе этой упрощенной модели различ­ ные характеристики амплитрона. Начнем с соотношения

между ВЧ-мощностыо на	выходе РвЫХ и ВЧ-мощностыо
на входе Рвх прибора
Р а т =	Рпх + Р а71,	(0

где т] — к. п. д. амплитрона, Р0 — подводимая мощность постоянного тока.

Следовательно, когда мощность постоянного тока рав­ на нулю, выходная ВЧ-мощность равна ВЧ-мощности на входе, так как вносимые потери внутри амплитрона очень малы. Это соотношение может служить также для определения к. п. д. амплитрона, так как при подсчете к. п. д. входная мощность всегда вычитается из выходной.

Другая важная зависимость связывает максимальную ВЧ-мощность на выходе или наибольший коэффициент усиления с заданным уровнем ВЧ-мощности на входе. Эта зависимость имеет вид

	ЛшХ.«ак с = ^ 4		+ /а>У*2+	Ро*,	(2)
где К — константа, которая зависит				от размеров	лампы
и величины магнитного поля в рабочем режиме.
Вход	'	А м п л и т р о н		Выход ■
	о—------	Уси ление	—

Вход^_е )(е + 0р)	А м п л и т р о н	Выход —	Л»
	Усиления нет
Ф и г. 2. Представлепи	мплитрона	в виде четырехполюсника.
Экспериментальные данные,		характеризующие	зави­

симость выходной мощности от входной и от мощности, потребляемой по анодной цепи, удобно представить в гра­ фической форме, как показано на фиг. 3. На этом графи­ ке зависимость, выраженная формулой (2), определяет верхнюю границу значений выходной мощности, которую можно получить при заданном уровне входной мощности. Приведенные характеристики были сняты на амплитроне (2К434, испытания которого проводились в необычно широком динамическом диапазоне специально для иссле­ дования формулы (2).

Представляет также интерес зависимость между анод­ ным током амплитрона и анодным напряжением. Эта за­

висимость является функцией магнитного поля, ио, по­ скольку большинство амплитронов имеет пакетирован­ ную конструкцию (выпускаются с постоянными магни­ тами), магнитное поле в них имеет фиксированное значе­ ние и зависимость между анодным током и напряжением также фиксирована. Типовая волы амперная характери­ стика амплитроиа показана на фиг. 9.

Ф и г . 3. Зависимость выходной мощности амплитроиа (ЭК434 от мощности возбуждения при различных значениях мощности постоянного тока, подводимой от модулятора.

Заштрихована область, в которой выходная мощность нс управляет­ ся путем изменения мощности на входе.

В числе свойств, которые привлекают к амплитрону внимание разработчиков многих различных систем, нуж­ но назвать относительное постоянство фазового смещения сигнала, проходящего через прибор, при изменении анод­ ного тока и, следовательно, при изменении уровня вы­ ходной мощности. Типичное значение фазового смещения составляет 0,5° на 1% изменения рабочего тока.

IV.	Типичные мощные амплитроны
непрерывного действия и их характеристики
Амплитроны	(ЭК 1224, рассчитанный на	частоту
3000 Мгц, и (ЭК1461,. рассчитанный на частоту		805 Мгц,

хорошо характеризуют уровень, достигнутый в США в об-

Выкодная мощность в непрерывном режиме,кет

б

Ф и г . 4. Основные характеристики амплитрона ФК1224.

а — к.п.д., выходная мощность и усиление в зависимости от часто­ ты; б — к.п.д. как функция выходной мощности б непрерывном режи­ ме на фиксированной частоте в средней точке полосы частот прибора.

ласти разработок амплитронов. Амплитрон (ЭК 1224, раз­ работка которого финансировалась министерством обо­ роны США, работает в непрерывном режиме с выходной мощностью 400 кет и полным к. п. д. 74%. В режиме с по­ ниженной выходной мощностью он имеет полосу пропу­ скания 5%, в которой выходная мощность и к. п. д. почти не меняются. Данный прибор обладает широким динами­ ческим диапазоном, при изменении выходной мощности

от 150 до 400 квт его к. п. д. меняется в пределах от 70 до 74,5%. Основные характеристики амплитрона 01? 1224 построены на фиг. 4. На фиг. 5 приведена фотография двухкаскадного амплитрона 01? 1224. Менее мощный однокаскадиый вариант прибора пакетной конструкции пока­ зан на фиг. 6. Этот амплитрон выпускается на частоту

Фи г . 9. Вольтамперная характеристика амплитрона <370461.

2450 Мгц и его можно использовать в промышленных установках нагрева и* для других применений.

Амплитрон ОК1461 предназначен для использования в линейных ускорителях и аналогичных установках; его рабочая частота равна 805 Мгц, а номинальная мощность в непрерывном режиме 100 квт. Платиновый катод в этом амплитроне холодный. Рабочие характеристики прибора приведены на фиг. 7, а сам прибор в сборе с постоянным магнитом показан на фиг. 8.