Магнетронные генераторы

Устройство магнетрона.

Магнетроном называется мощный автогенератор синусоидальных колебаний СВЧ, в котором управление электронным потоком произво-дится с помощью электрического и магнитного полей.

Типичная конструкция современного многорезонаторного магнетрона показана на рис. 12.10.

Основными частями магнетрона являются катод, анодный блок с резонаторами и устройство вывода высокочастотной энергии. В магнет-ронах используется подогревной оксидный катод, который имеет форму цилиндра и располагается на оси анодного блока. Он должен обладать возможно большей удельной эмиссией, большой механической прочностью оксидного слоя, высокой электро- и теплопроводностью поверхности. Это достигается специальной конструкцией катода. С торцов катод закрывается концевыми экранами 7, препятствующими утечке электронов из пространства взаимодействия 1. В цепях накала имеются высокочастотные дроссели 9, представляющие собой коаксиаль-ные четвертьволновые короткозамкнутые линии. Они не пропускают в цепи накала высокочастотную энергию.

Анодный блок 3 выполнен из электролитической меди. По окруж-ности блока расположены резонаторы 4. Наиболее широко используют-ся в десятисантиметровом диапазоне резонаторы типа «щель – отверстие» Применяются также щелевые и секторные резонаторы. В магнетронах бывает от 6 до 40 резонаторов, причём число их всегда чётное.

С укорочением волны число резонаторов увеличивают, а размеры уменьшают. На анодном блоке расположены радиаторы 10, улучшающие его охлаждение, которое бывает воздушным или жидкостным.

Пространство между катодом и анодным блоком называется пространством взаимодействия. Здесь происходит обмен энергией между потоком электронов и высокочастотным полем.

Отбор энергии производится с помощью петли 6, расположенной в одном из резонаторов. В некоторых типах магнетронов (на волнах короче 3 сантиметров) энергия отбирается с помощью щели, соединя-ющий один из резонаторов с волноводом (рис. 12.11, б). Все резонаторы связаны между собой посредством высокочастотных полей и специаль-ных связок 5 (рис.12.12). Связки улучшают работу магнетрона. Их роль подробно рассматривается ниже. Наличие сильной связи между резона-торами позволяет располагать петлю в любом из резонаторов. При этом отбор энергии будет осуществляться от всей колебательной системы в целом.

Устройство вывода энергии должно обеспечить отбор на согласованную нагрузку максимальной мощности и возможно меньше влиять на частоту колебаний магнетрона. Поэтому в нём имеются согласующие трансформаторы. Пример конструкции коаксиального вывода энергии показан на рис.12.12. Волноводный вывод используется на волнах короче 3 см. На других волнах используется коаксиальный вывод, а при передаче энергии по волноводу – коаксиально-волноводный переход.

Импульсные магнетроны работают при анодных напряжениях от нескольких сотен вольт до нескольких десятков киловольт. Анод магнет-рона заземляется, а катод находится под высоким отрицательным потен-циалом.

Постоянное магнитное поле направлено по оси анодного блока. Оно создаётся с помощью постоянного магнита или электромагнита, между полюсами которого помещается магнетрон (рис.12.13). Применяются па- кетные магнетроны, в которых магнит и магнетрон конструктивно объединены (рис.12.14). Это позволяет уменьшить расстояние между полюсами и при меньших размерах магнита получить большую индук-цию В.

Рис. 12.10. Конструкция магнетрона.

Рис. 12.11. Способы отбора энергии.

Рис.12.12. Устройство коаксиального вывода энергии.

Рис. 12.13. Магнетрон (а) и магнитная система (б).

Рис. 12.14. Пакетный магнетрон.

Магнетроны используются в основном в качестве импульсных автогенераторов в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. В нас-тоящее время достигнута максимальная импульсная выходная мощность магнетронов порядка 10 МВт, но наиболее часто она измеряется сотнями кВт.

Основной вид колебаний в магнетроне.

Колебательная система магнетрона состоит из N связанных между собой резонаторов. Каждый резонатор в отдельности эквивалентен одиночному колебательному контуру (рис.12.15). Связь между двумя соседними резонаторами осуществляется через ёмкости и взаимоиндуктивность М. Ёмкость образована каждым сегментом маг-нетрона и катодом.

В сложной колебательной системе могут существовать различные типы колебаний. Каждому типу колебаний соответствует своя резонан-сная частота и свой фазовый сдвиг между токами (напряжениями) в соседних резонаторах. Суммарный сдвиг фаз токов во всех N резонато-рах должен быть равен целому числу 2π. Только в этом случае, при-няв фазу тока в одном из резонаторов за исходную и обойдя все N резонаторов по замкнутому кольцу, придём к исходному току с его начальной фазой. Следовательно, сдвиг фаз колебаний в двух соседних

Рис. 12.15. Эквивалентная схема колебательной системы магнетрона.

резонаторах можно определить по формуле:

φ = (12.4)

где n – целое число, которое показывает, сколько волн поля укладыва-ется по окружности анодного блока. Этим числом принято характери-зовать тип колебаний.

Тип колебаний, соответствующий n = , называется противофазным или типом π. (Так как при n = получается φ = π). Этот тип колебаний является основным для современных магнетронов.

В магнетронах применяются специальные меры, чтобы получить воз-буждение именно этого типа колебаний. Изменение полей π- типа коле-баний с течением времени показано на рис.12.16, а распределение напряжения и полей по окружности анодного блока для фиксированных моментов времени – на рис.12.17. Из этих рисунков видно, что в колеба-тельной системе устанавливаются стоячие волны, причём по окружности анодного блока укладывается волн, а на каждом резонаторе – половина волны.

Рис.12.16. Колебания электромагнитного поля в магнетроне (n=4).

Пучности напряжения стоячих волн находятся в щелях резонаторов, а пучности тока – в стенках цилиндров. Узлы и пучности напряжений и токов неизменно сохраняют свои места, и, следовательно, колебания этого типа наиболее устойчивы. При колебаниях других типов хотя бы в одной из щелей имеется узел напряжения, а распределение узлов и пучностей среди резонаторов случайное и неустойчивое. В процессе работы узлы и пучности перемещаются по анодному блоку, что не обеспечивает устойчивого отбора энергии. Это одна из причин, застав-ляющая использовать в магнетроне колебания типа π. Другая причина состоит в том, что только эти колебания позволяют получать большой КПД магнетрона благодаря эффективному взаимодействию электронного потока с переменным полем. Условия получения колебаний π-типа изложены ниже. Будем считать, что магнетрон работает в режиме коле-баний типа π, и рассмотрим физические процессы, происходящие при этом.

Рис.12.17. Распределение напряжения и высокочастотных полей вдоль анодного блока.

Образование вращающегося заряда.

Предположим, что постоянное магнитное поле отсутствует, а к аноду магнетрона приложено постоянное напряжение . На электроны, вылетевшие из катода, действует сила электрического поля:

F = − e E (12.5)

где e – заряд электрона;

E = = - напряжённость электрического поля (12.6)

, - радиусы анодного блока и катода соответственно.

Под действием этой силы вдоль радиусов движутся электроны от катода к аноду (рис.12.18, а). Вся кинетическая энергия электронов выделяется на аноде в виде тепла. В анодной цепи протекает ток . Магнетрон работает в режиме диода.

Установим постоянное магнитное поле, индукция которого B ˂ . Пусть силовые линии этого поля направлены на чертёж. На электроны теперь будет действовать не только сила электрического поля, но и сила магнитного поля

F = e V B (12.7)

направленная перпендикулярно к вектору скорости электронов V. Магнитная сила не изменяет величины скорости электрона, но она искривляет траекторию его движения, как показано на рис.12.18, б. В результате этого путь движения электронов удлиняется, но анодный ток не уменьшается.

Рис.12.18. Траектория полёта электронов (а,б,в,г) при различных значениях индукции и зависимость анодного тока магнетрона от величины индукции (д)

При увеличении индукции траектория электрона всё более искривля-ется и при некотором её значении , называемом критическим, электроны проходят вблизи анода и возвращаются на катод. Анодный ток при этом резко падает до величины, близкой к нулю (рис.12.18, в). Только некоторые электроны, вылетающие из катода с большой начальной скоростью, долетают до анода, создавая небольшой анодный ток. При B ˃ вершины траекторий электронов находятся на некотором расстоянии от анода и анодный ток равен нулю (рис.12.18,г).

Расчёты показывают, что при B ≥ траектория электрона представ-ляет собой кривую линию, описываемую точкой а, лежащей на круге с радиусом R, равномерно катящимся по поверхности катода (рис.12.19).

Рис.12.19. Образование вращающего заряда

Эта кривая называется эпициклоидой. В различных точках эпициклоиды скорость электрона различна: на вершине она максимальна 2 , а у катода – нуль. Скорость движения центра круга называется средней или поступательной скоростью электрона. Она определяется по формуле:

= = (12.8)

Частота вращения точки а по окружности называется циклотронной частотой . Она определяется по формуле

= B (12.9)

где m – масса электрона.

Радиус круга определяется по формуле:

R = • = • (12.10)

Разделив мысленно пространство взаимодействия на две части плоскостью MN (рис.12.19), убедимся, что из правой части в левую проходят электроны со скоростями от = 0 до = 2 , т.е. со средней скоростью . Помещая плоскость MN в различных сечениях пространства взаимодействия, придём к выводу о существовании в этом пространстве вращающегося облака. Средняя скорость вращения заряда равна:

= (12.11)

Наличие вращающегося заряда является необходимым условием работы магнетрона. Следовательно, магнетрон может работать только при B˃ .

Величина критической индукции зависит от величины . Если при данном = индукция ˃ , то при увеличении увеличивается скорость движения электронов, увеличивается радиус циклотронного круга R и электроны не возвращаются на катод, а падают на анод, т.е. индукция окажется меньше критической (рис.12.18). Следовательно, с увеличением растёт и величина критической индукции.

Автоколебания в магнетроне.

При включении анодного напряжения в магнетроне в течении некоторого небольшого промежутка времени существует переходный режим. Возникшие колебания высокой частоты нарастают по амплитуде. Они поддерживаются электронным потоком, который в установившемся режиме имеет форму спиц колеса (рис.12.20)

Рис.12.20. Спицеобразная форма электронного облака в магнетроне.

Число спиц равно половине числа резонаторов. В спицах электроны совершают сложные петлеобразные движения, а сами спицы вращаются с постоянной угловой скоростью вокруг оси анодного блока. С концов спиц «отработавшие» электроны падают на анод.

Напряжение на аноде и индукции B подбираются такими, что выполняется условие синхронизма: каждая спица проходит каждую щель резонаторов в тормозящем поле. Электрическое поле резонаторов пополняется энергией, забирая её от сгустков электронов. Ускоряет электроны постоянное электрическое поле. Следовательно, энергия постоянного источника преобразуется в энергию колебаний высокой частоты.

Переменное электрическое поле Е в каждой точке пространства взаимодействия можно разложить на две составляющие: тангенциальную составляющую , направленную по касательной к окружности, проходящей через данную точку и имеющей центр на оси анодного блока, и радиальную составляющую (рис.12.21). Роль этих составля-ющих в механизме передачи энергии от потока электронов к резона-торам несколько различна. Тангенциальная составляющая тормозит движение электронов вдоль анодного блока, и потому резонаторы пополняются энергией. Радиальная составляющая способствует образова-нию плотных сгустков электронов.

Рис.12.21. Образование спицеобразного электронного облака.

Рассмотрим, как образуются вращающиеся спицы зарядов. Пусть электроны группы 1, вылетая из катода, попадают в тормозящее поле резонатора 1 и проходят плоскость Р, т.е середину щели резонатора, в момент амплитудного значения поля. Такие электроны будем называть электронами благоприятной фазы. Они испытывают максимальное тормозящее действие тангенциальной составляющей поля, передают свою энергию полю и потому не могут опять возвратиться на катод. Описав петлю эпициклоиды, они в точке а прекращают приближение к катоду. Из точки а начинается новая петля эпициклоиды, которую электроны благоприятной фазы совершают в тормозящем поле резонатора 2, а следующую петлю – в тормозящем поле резонатора 3 и т.д. до тех пор, пока не долетят до анода. Такое движение совершают электроны благо-приятной фазы только при выполнении определённого условия, называемого условием синхронизма. В простейшем рассмотренном примере это условие сводится к тому, что за время одного полупериода колебаний электрон совершает одну петлю эпициклоиды у одного резонатора. Каждый резонатор получает от электрона этой группы энергию е ˖ Δ , где Δ – разность потенциалов начальной и конечной точек петли. Можно поэтому считать, что электроны отдают полю не кинетическую, а потенциальную энергию. По мере приближения электронов к аноду их потенциальная энергия уменьшается и на аноде она равна нулю. В то же время кинетическая энергия электронов, обус-ловленная средней (переносной) скоростью электронов = , остаётся на всём пути движения электронов практически неизменной.

Средняя скорость и кинетическая энергия не уменьшаются потому, что одновременно с передачей энергии они получают такое же количество энергии от источника постоянного поля.

У второго резонатора к электронам группы 1 добавляются электроны благоприятной группы 2, а у третьего – группы 3 и т.д. Следовательно, против щелей с тормозящим полем заряд накапливается и вытягивается от катода к аноду, образуя спицу электронов.

У щелей с ускоряющим полем образуются разрежения электронов: там электроны прижимаются к катоду. Это видно на примере электронов группы 5, которые, вылетая из катода, попадают в ускоряющее поле резонатора 8. Получив добавочную энергию от поля, эта группа электронов увеличивает свою тангенциальную составляющую скорости и возвращается на катод, отдавая ему кинетическую энергию. Следовательно, катод дополнительно подогревается за счёт энергии переменного поля. Поэтому в некоторых магнетронах напряжение накала уменьшают или вообще выключают после предварительного разогрева катода и подачи анодного напряжения.

Таким образом, под действием тангенциальной составляющей поля осуществляется предварительная автоматическая сортировка электронов. Электроны благоприятной фазы пролетают тормозящее поле нескольких резонаторов, отдавая им энергию, а неблагоприятной – выходят из пространства взаимодействия, пройдя только одну щель с ускоряющим полем.

Под действием радиальной составляющей происходит так называемая фазовая фокусировка электронов. Она заключается в том, что вокруг электронов благоприятной фазы группируются сгустки из электронов, не попавших в начале движения в благоприятную фазу. Из рис.12.21 видно, что левее плоскости симметрии резонатора Р радиальная составляющая переменного поля совпадает по направлению с постоянным полем Е, а правее – противоположна ему. На том же рисунке показано положение трёх групп электронов в момент макси-мального значения поля. Электроны благоприятной фазы (группа 1) находятся точно у середины щели, где радиальная составляющая равна нулю. Следовательно, суммарное действие радиальной составляющей на эти электроны равно нулю: левее плоскости Р электроны ускоряются, а правее – в такой же мере замедляются. Группа электронов 6 находится левее плоскости симметрии, где ускоряет электроны, и потому суммарное действие этого поля на электроны будет ускоряющим, так как ко времени перехода электронов правее плоскости Р поле уже будет близко к нулю. Поэтому группа электронов 6 движется с большой скоростью и постепенно догоняет группу 1. По аналогичным причинам группа 7 движется медленнее группы 1 и постепенно слива-ется с ней. Так образуются устойчивые сгустки электронов, всё время движущиеся в тормозящем поле резонаторов.

Существующую в колебательной системе стоячую волну можно рассматривать как сумму двух встречных бегущих по резонаторам волн. Сгустки электронов должны двигаться по окружности на гребне тормозящего поля бегущей волны. Только при этом будет выполнено условие синхронизма, т.е. будет эффективное взаимодействие электронов с полем волны. Бегущая волна распространяется по стенкам резонато-ров со скоростью света, а по окружности анодного блока она распрос-траняется со значительно меньшей фазовой скоростью. Именно такой и должна быть скорость движения спиц . Следовательно, колебательная система замедляет движение волны по окружности анодного блока, т.е. уменьшает скорость от до = , и тем обеспечивает взаимодей-ствие электронов с полем волны (известно, что электроны не могут двигаться со скоростью света ). В этом главное назначение колебательной системы и потому она называется также замедляющей системой.

Для выполнения условия синхронизма необходимо, чтобы пролётное время электронов от середины одной щели до середины соседней щели составляло половину периода.

Рис.12.22. Фокусирующее действие радиальной составляющей переменного поля.

Разделение частот.

Для того чтобы обеспечить работу магнетрона в режиме колебаний типа π и предотвратить возможность возникновения других типов колебаний, применяются следующие меры: разделение резонансных частот, выбор чётного числа резонаторов, выбор соответствующих рабочих значений и В.

Для надёжного разделения частот различных типов колебаний на волнах длиннее 3 см применяются связки, а на волнах короче 3 см – разнорезонаторные системы.

Связки представляют собой два кольца, выполненные из ленты или проволоки, электрически соединяющие между собой чётные сегменты (одно кольцо) и нечётные сегменты (второе кольцо). Для обеспечения симметрии колебательной системы используются двухсторонние связки: либо по одному кольцу с каждой стороны, либо по два кольца с каждой стороны (рис.12.23, а, б). Для уменьшения ёмкости между связкой и катодом в некоторых типах магнетронов связки экранируются, т.е. укладываются в анодном блоке в канавке (рис.12.23, в).

Рис.12.23. Связки.

При колебаниях типа π связки соединяют точки с равными потен-циалами, и потому ток в связках отсутствует. Следовательно, на частоту этих колебаний связки влияют очень мало. Если же в магнетроне возникают колебания других типов, то по связкам проходит ток, а они представляют собой индуктивность, подключённую параллельно индук-тивности резонатора. В результате этого общая индуктивность уменьша-ется, а частота колебаний увеличивается. Таким образом, связки способствуют устойчивой работе магнетрона в режиме π – колебаний.

Эффективность действия связок уменьшается с увеличением числа резонаторов, т.е. с укорочением волны. Кроме того на волнах λ ˂ 3 см размеры связок становятся очень малыми, что вызывает значительные конструктивные затруднения. Поэтому в диапазоне волн короче 3 см используются разнорезонаторные колебательные системы (рис.12.24).

Рис.12.24. Разнорезонаторные колебательные системы.

Способы настройки магнетрона.

Конструкции перестраиваемых магнетронов сложны по ряду причин. Во-первых, колебательная система магнетрона находится в вакууме, который органы настройки не должны нарушать. Во-вторых, введение элементов настройки не должно ухудшать частотного разделения. Диапа-зон возможной перестройки ограничивается уменьшением разности частот основного и ближайшего к нему типов колебаний и, следователь-но, устойчивостью работы магнетрона. В-третьих, размеры магнетрона малы, и потому в нём трудно размещать элементы настройки.

Различают механическую и электронную настройки. Механическая настройка состоит в изменении индуктивности или ёмкости резонаторов или того и другого вместе путём механического перемещения стержней, колец или призм, расположенных внутри магнетрона. При индуктивной настройке внутрь резонатора вводятся стержни (рис.12.25, а), изменяющие величину индуктивности. При ёмкостной настройке у щелей резонаторов располагают кольцо, перемещением которого осуще-ствляется настройка (рис.12.25, б, в). Можно применять комбинирован-ную индуктивно-ёмкостную настройку, изменяя одновременно и индук-тивность, и ёмкость резонаторов (рис.12.25, г).

Рис.12.25. Способы настройки магнетрона.

Диапазон перестройки магнетрона изменением ёмкости или индуктив-ности резонаторов не превышает 5 – 10 %, а при комбинированной перестройке - до 40%. Применяется также несимметричная перестройка, при которой с одним из резонаторов магнетрона связывается вспомога-тельный перестраиваемый резонатор или отрезок коаксиальной линии. Изменяя собственную частоту этого резонатора или длину коаксиальной линии, можно изменять в небольшом диапазоне частоту колебаний магнетрона за счёт вносимого реактивного сопротивления.

Недостатком механической перестройки частоты магнетронов является малая скорость перестройки. Для увеличения скорости перестройки применяют электронные методы. В небольших пределах электронная перестройка может осуществляться изменением тока луча, проходящего в одном из резонаторов магнетрона или во вспомогательном резонаторе. При этом изменяются динамическая ёмкость резонатора и, следователь-но, частота колебаний.

Рабочие характеристики магнетрона.

В процессе эксплуатации магнетрона с фиксированной настройкой можно изменять анодное напряжение и индукцию постоянного магнит-ного поля. В диапазонных магнетронах имеется ещё регулировка частоты.

Рис.12.26. Рабочие характеристики импульсного магнетрона.

Изменение или В оказывает влияние на мощность генерируемых колебаний и КПД. Для определения взаимной связи между указанными величинами экспериментально снимают рабочие характеристики магнетрона (рис.12.26). Они представляют собой совокупность линий постоянной мощности, линий постоянного КПД и линий постоянной магнитной индукции.

Поясним рабочие характеристики на примере. Установим индукцию магнитного поля В = 1900 Гс и будем изменять амплитуду импульсов анодного напряжения от 21 до 24 кВ. Тогда анодный ток магнетрона (импульсный) возрастает от 15 до 60 А. Одновременно с увеличением анодного тока произойдёт увеличение полезной мощности от 200 до 560 кВт. КПД в данном примере изменится незначительно (от 42 до 40%).

Из рис.12.26 видно, что линии постоянной индукции близки к прямым. Следовательно, при изменении происходит почти линейное изменение При этом сравнительно небольшому изменению анодного напряжения соответствует значительное изменение анодного тока. Ввиду этого режим магнетрона контролируют обычно по величине анодного тока.

Вторая причина такого контроля режима магнетрона заключается в следующем. Амперметр представляет собой очень простой прибор. Импульсный вольтметр на десятки киловольт является сложным и дорогим прибором.

Заметим, что линии постоянной мощности подобны гиперболам. Причина этого видна из уравнения для колебательной мощности.

= η ˖ ˖ (12.12)

Если бы КПД магнетрона η был неизменным в рабочей области, то линии постоянной мощности были бы идеальными гиперболами.

Линии постоянного КПД (показаны пунктиром) напоминают параболы. Однако эта аналогия только приблизительная.

В заключении отметим, что рабочие характеристики магнетрона снимают при согласованной нагрузке.

Стабилизация частоты.

Стабильность частоты магнетронного генератора в значительной мере влияет на надёжность работы линии связи. Поэтому требуется принимать меры стабилизации частоты. Существуют медленные и быстрые изменения частоты. Медленные изменения обусловлены изме-нениями температуры, вращением антенны и медленными изменениями питающих напряжений. Во всех этих случаях частота колебаний в импульсе остаётся неизменной, а от импульса к импульсу изменяется. Быстрые изменения частоты обусловлены изменениями напряжения в течение импульса и влиянием несогласованной нагрузки. При этом частота колебаний изменяется в течение длительности импульса.

При изменении температуры анодного блока на 1°С частота колебаний 10 см магнетрона изменяется примерно на 0,05 МГц, а 3 см – на 0,15 МГц. С повышением температуры частота уменьшается за счёт увеличения объёма резонаторов. Для поддержания постоянства частоты магнетрона температуру анодного блока нужно сохранять постоянной. Практически это очень трудно выполнить, так как магнетрон обдувается воздухом и, следовательно, его температура зависит от температуры охлаждающего воздуха.

Для устранения нестабильности, вызванной изменением , применяют стабильный источник и выбирают такой режим работы магнетрона, при котором изменения мало влияют на частоту. При импульсной модуляции предъявляются жёсткие требования к форме модулирующего импульса: его вершина должна быть плоской, т.е. напряжение в течении импульса должно быть постоянным.

Несогласованная нагрузка вносит в магнетрон реактивное сопротив-ление и тем влияет на частоту колебаний. Так как вносимое сопротив-ление непостоянно и в сильной степени зависит от длины передающей линии и частоты, то это приводит к уходу частоты на десятки МГц. Поэтому нагрузка (линия передачи) должна быть тщательно согласована.

Наиболее эффективный способ стабилизации частоты магнетрона заключается в применении высокоэталонного внешнего резонатора. Он подключается к выходной линии (или волноводу) недалеко от магнетрона, как показано на рис.12.27. Резонатор стабилизирует параметры колебательной системы магнетронного генератора, и тем самым значительно повышает стабильность частоты передатчика.