Конструирования магнетронов. Самсонов, Дмитрий Евдокимович - Основы расчета и конструирования магнетронов: (Настройка
1.5 Конструирования магнетронов
Основными конструктивными узлами современных магнетронов являются:
1) анодный блок (корпус) магнетрона, включающий резонаторную систему и устройства для разделения видов колебаний;
2) система перестройки частоты;
3) вывод энергии;
4) катод с соответствующими выводами;
5) вакуумная оболочка и система охлаждения;
6) магнитная цепь.
В большинстве магнетронов вся резонаторная система, механизм перестройки и значительная часть вывода энергии находятся внутри вакуумной оболочки и являются неотъемлемыми частями магнетрона. Это оказывает большое влияние на конструктивное оформление каждого из указанных узлов магнетрона.
Большинство современных магнетронов, за исключением некоторых магнетронов миллиметрового диапазона, используют p-вид колебаний резонаторной системы. Данный вид колебаний обладает рядом особенностей и преимуществ в сравнении с другими видами колебаний. К числу таких преимуществ относятся отсутствие вырождения, наименьшее анодное напряжение при одной и той же индукции магнитного поля (если отвлечься от возбуждения на пространственных гармониках других видов колебаний), а также наибольший к. п. д. при неизменной величине магнитной индукции. Достоинством p-вида является также конструктивная простота требующихся для этого резонансных систем.
При выборе количества резонаторов N необходимо учитывать следующее. Прежде всего, число N должно быть четным, чтобы обеспечить существование p-вида колебаний. Увеличение числа резонаторов приводит к ухудшению разделения видов колебаний, но одновременно способствует снижению анодного напряжения при заданной индукции В и при неизменном диаметре анода. Обычные магнетроны 10-см диапазона имеют 8-12 резонаторов; в 3-см диапазоне применяются от 12 до 18 резонаторов. При переходе к миллиметровому диапазону число N доходит до 24-38 и более. Несколько особняком стоят коаксиальные магнетроны (см. далее), допускающие использование значительно большего числа резонаторов.
На волнах длиннее 3 см основное применение находят резонаторы типа щель-отверстие и лопаточные (секторные) резонаторы, показанные на рисунке 1.8. В миллиметровом диапазоне волн часто применяются щелевые резонаторы (рис. 1.8, в).
Рисунок 1.8 - Наиболее распространенные типы магнетронных резонаторов
Опыт показывает, что при использовании связок максимальные значения диаметра анодного отверстия d a и рабочей длины анода . связаны с длиной волны ориентировочными соотношениями
В случае разнорезонаторной системы максимальные величины и могут быть заметно повышены:
В миллиметровом диапазоне волн и при идут на увеличение до 1,5 и даже до 2,0. Чтобы избежать при этом резкого увеличения числа резонаторов или повышения анодного напряжения и магнитной индукции, целесообразно использовать работу магнетрона на виде колебаний, отличном от p, при синхронизме с пространственной гармоникой р = +1 или р = -1.
Равнорезонаторные блоки с "многоэтажными" связками, расположенными через равные интервалы по длине анода, могут иметь очень большую длину (до ), что позволяет значительно увеличить длину катода и резко повысить генерируемую мощность.
Наиболее распространен вариант симметричной механической перестройки. Одновременное воздействие на резонаторы производится индуктивным или емкостным способом с помощью металлических колец, стержней и коронок, перемещающихся внутри резонаторов или в торцевых пространствах магнетрона. Несколько систем, обеспечивающих диапазон перестройки до ± (3¸6) % от средней частоты, показаны схематически на рис. 1.9. При настройке индуктивным кольцом (рис. 1.9, а) основное воздействие производится на высокочастотное магнитное поле, проходящее через торцевое пространство. С приближением металлического кольца к торцу анодного блока уменьшается эквивалентная индуктивность всех резонаторов и, как следствие, повышается резонансная частота каждого резонатора и всего анодного блока в целом. Воздействие на высокочастотное магнитное поле в самих резонаторах производится с помощью индуктивной коронки, имеющей металлические стержни, как показано на рис. 1.9, б. Похожим образом производится емкостная настройка магнетрона, при которой металлическое кольцо или коронка (см. рис. 1.9, в, г) перемещается в торцевом пространстве вблизи той части сегментов, где имеется наиболее сильное электрическое поле, или около связок. Для расширения диапазона иногда используют комбинацию емкостной и индуктивной перестроек.
Рисунок. 1.9 - Симметричная механическая настройка магнетрона индуктивным кольцом и индуктивной коронкой (а, б) и емкостными кольцом и коронкой (в, г):1- анодный блок; 2- металлическое кольцо; 3- металлический стержень; 4 - отверстие резонатора; 5 - щель резонатора; 6 – связки.
Интересна разновидность магнетронных систем, использующая коаксиальный резонатор, который охватывает многорезонаторный анодный блок. Внутренним проводником этого резонатора является цилиндрическая поверхность собственно анодного блока. В этой поверхности прорезаны продольные щели, связывающие коаксиальный резонатор с магнетронными резонаторами через один, как показано на рис. 1.10. Коаксиальный резонатор возбуждается на виде колебаний Н 011 , отличающемся тем, что электрическое поле и токи в стенках имеют вид замкнутых окружностей. Подобной структуре поля и токов отвечает возбуждение анодного блока магнетрона на p-виде, так как в резонаторах, расположенных через один и имеющих щелевую связь, колебания оказываются синфазными (сдвинутыми между собой по фазе на 2p). Видам колебаний анодной системы, отличным от p-вида, соответствуют виды колебаний в коаксиальном резонаторе, отличные от Н 011 . Эти колебания могут быть в свою очередь сильно подавлены, например с помощью поглощающих вставок и кольцевых щелей, нарушающих высокочастотные токи всех видов колебаний, кроме вида Н 011 .
Благодаря этому диаметр анода и число резонаторов в магнетроне с описанным коаксиальным резонатором ("коаксиальном магнетроне") могут быть значительно увеличены в сравнении с обычными магнетронами без ухудшения разделения основных видов колебаний. Увеличение диаметра анода позволяет значительно повысить генерируемую мощность магнетрона.
Коаксиальные магнетроны имеют и другие существенные преимущества. Накопление значительной энергии в коаксиальном высокодобротном резонаторе повышает собственную добротность Q o всей системы и стабильность частоты генерируемых колебаний. Степень затягивания частоты F 3 может быть при этом значительно снижена за счет уменьшения связи с нагрузкой и повышения внешней добротности Q 0 при одновременном улучшении к. п. д. резонаторной системы.
Рисунок 1.10 - Схема устройства коаксиального магнетрона: 1 -магнетронные резонаторы, 2-щели связи, 3-наружная стенка коаксиального резонатора; 4 - поршень механической настройки; 5-вывод энергии (прямоугольный волновод)
Далее, благодаря улучшению разделения видов колебаний возможна работа при меньшей амплитуде высокочастотного напряжения в пространстве взаимодействия, что приводит к повышению электронного к. п. д. Существуют и другие достоинства магнетронов коаксиального типа, что позволяет отнести их к числу перспективных направлений развития магнетронных генераторов.
Устройство типичных коаксиальных и волноводных выводов энергии показано на рис. 1.11 и 1.12. Петля вводится обычно в один из резонаторов в области максимума СВЧ магнитного поля. Основная трансформация сопротивления, определяющая величину Q BH , осуществляется в зависимости от размеров петли.
Рисунок 1.11 - Коаксиальные выводы энергии магнетронов малой и средней мощности 10-см диапазона: 1-петля, 2, 3 - наружный и внутренний проводники коаксиальной линии; 4 - стекло; 5-медь; 6- ковар
Коаксиально-волноводные выводы энергии, жестко скрепляемые с магнетронами, применяются при умеренной мощности в коротковолновой части сантиметрового диапазона. При более высоких мощностях, а также при более коротких волнах используют в основном волноводные выводы. Между стандартным прямоугольным волноводом и анодным блоком обычно включается четвертьволновый волноводный трансформатор (рис. 1.12), понижающий сопротивление нагрузки в 100-200 раз. В качестве трансформаторов используются также многоступенчатые четвертьволновые и экспоненциальные переходы.
Рисунок 1.12 - Волноводный вывод энергии магнетрона 3-см диапазона с одноступенчатым четвертьволновым трансформатором: 1-анодный блок, 2 - трансформатор, 3-круглое стеклянное или керамическое окно; 4 - дроссель; 5-выходной фланец
Катод играет значительно большую роль в работе магнетронов, чем в работе большинства других электронных приборов СВЧ. Длина и диаметр катода необращенного магнетрона имеют пределы ввиду ограничений, накладываемых на высоту анодного блока l а, диаметр анода d э и отношение . Требования к удельной эмиссии становятся особенно высокими. Если в 10-см диапазоне типичная величина эмиссии с катода магнетрона в импульсе составляет 10 a/см 2 , то в 3-см диапазоне требуемая плотность тока доходит примерно до 30 а/см 2 . С дальнейшим укорочением волны происходит соответствующий рост требуемой эмиссии. К катоду магнетрона предъявляется дополнительное требование - способность работать с достаточным сроком службы в условиях значительной обратной бомбардировки. Значительную роль в работе магнетрона играет вторичная электронная эмиссия с катода. В связи с этим к материалу катода предъявляется также требование высокой вторичной эмиссии.
Основное назначение современных импульсных магнетронных генераторов - передатчики радиолокационных станций и других радиотехнических устройств, в том числе линий импульсной связи, радиоотелеметрических систем, маяков и т. п.
Устройство двух типичных импульсных магнетронов приведено на рис. 1.13 и 1.14.
Рисунок 1.13 - Устройство типичного импульсного ненастраиваемого магнетрона 10-см диапазона: 1 - анодный блок, 2 - катод, 3 - петля вывода энергии, 4- двойные кольцевые связки, 5-коаксиальный вывод энергии, 6-боковые крышки; 7-вывод катода и накала 8--вывод накала 9-трубка для откачки; 10 -ковар; 11-стекло
Магнетроны находят также применение в качестве мощных генераторов, питающих линейные электронные ускорители. Магнетроны непрерывного режима все более широко применяются в установках промышленного и бытового СВЧ нагрева.
Диапазон мощностей импульсных магнетронов составляет от десятков ватт до 10 Мвт. Магнетроны непрерывного режима выпускаются на мощности от долей ватта до нескольких десятков киловатт.
Устройство митрона и схема его включения представлены на рис. 1.15. В этом приборе катод вынесен из пространства взаимодействия и расположен вдоль оси на одном из торцов
Рисунок 1.14 - Устройство типичного импульсного магнетрона 3-см диапазона (без постоянных магнитов). В более крупном масштабе изображено устройство катода, связок и анодного блока: 1- анодный блок с радиатором, 2-полюсный наконечник; 5 - катодная ножка, 4- катод; 5- окно вывода энергии; 6-связки; 7-Н-образный четвертьволновый трансформатор; 8-пермендгоровые наконечники
Катод окружен коническим дополнительным анодом - управляющим электродом, образующим вместе с катодом магнетронную пушку типа Кайно-Тейлора. Вместо катода внутри резонаторной системы расположен цилиндрический неэмиттирующий отрицательный электрод ("холодный катод"), создающий в пространстве взаимодействия постоянное радиальное электрическое поле, как в обычном магнетроне.
Электронный поток, имеющий вид полой трубки, инжектируется в пространство взаимодействия митрона и взаимодействует с полем p-вида колебаний. При U а1 = const (см. рис. 1.15) постоянное анодное напряжение U а практически не влияет на величину анодного тока, что позволяет использовать в "чистом виде" явление электронной настройки магнетронов. Для реализации широкого диапазона электронной настройки нагруженная добротность резонаторной системы снижается до 2-10. В митроне, изображенном на рис. 1.15, использована встречно-штыревая система, соединяемая двумя металлическими кольцами с внешним низкодобротным резонатором. С помощью митронов получают диапазон электронной настройки, доходящий до одной октавы при малой генерируемой мощности.
Функционально-узлового метода конструирования, повышающего надёжность аппаратуры и её качественные показатели; широкое применение цифровых устройств. В данной курсовой работе предлагается спроектировать импульсный передатчик для наземной радиолокационной станции. Радиолокация решает задачи обнаружения, определения координат и параметров движения различных объектов с помощью отражения или...
Обзора земли с целью обеспечения возможности автономной навигации по характерным наземным радиолокационным ориентирам. 3. Обоснование, выбор и расчет тактико-технических характеристик радиолокационной станции 3.1. Обоснование, выбор и расчет тактических характеристик РЛС 3.1.1. Максимальная дальность действия RmaxМаксимальная дальность действия задается тактическими требованиями и зависит...
Техническому совершенству, боевым и эксплуатационным качествам не уступали лучшим зарубежным образцам, а нередко и превосходили их. Большинство из созданных в эти годы образцов в большей или меньшей степени представляли собой высокоточное оружие. В них использовались высокоточные инерциальные системы, системы коррекции и телеуправления движением на траектории и системы самонаведения на конечном...
Систем в РЛГС четыре: 3.2.1 Радиолокационная часть РЛГС Радиолокационная часть РЛГС состоит из: · передатчика. · приемника. · высоковольтного выпрямителя. · высокочастотной части антенны. Радиолокационная часть РЛГС предназначена: · для генерирования высокочастотной электромагнитной энергии заданной частоты (f±2,5%) и мощности 60 Вт, которая в виде коротких...
Определение . Многорезонаторными магнетронами называют электронные приборы, в которых образование электронного потока и его взаимодействие с переменными электрическими полями ряда колебательных контуров-резонаторов происходит в стационарных скрещенных электрическом и магнитном полях. Магнетроны служат генераторами незатухающих колебаний в диапазоне от миллиметровых до метровых волн.
Устройство . Анодный блок многорезонаторного магнетрона (рис. 5-1) представляет собой невысокий медный цилиндр с рядом отверстий, параллельных оси цилиндра. Вместе со щелями, соединяющими эти отверстия с центральным, они образуют объемные резонаторы. Таким образом, анодный блок представляет собой систему связанных контуров. Часть анодного блока, заключенная между двумя соседними щелями, называется сегментом. В центральном отверстии расположен катод в виде цилиндра, боковая поверхность которого покрыта оксидным слоем. Пространство между катодом и анодным блоком называется пространством взаимодействия. Здесь поток электронов, движущихся от катода к аноду, взаимодействует с переменными электрическими полями, сконцентрированными вблизи щелей колебательных систем. В одном из резонаторов имеется петля связи, с помощью которой энергия высокочастотных колебаний отводится из магнетрона. Как правило, анодный блок магнетрона заземляется а катоду сообщается достаточно высокий отрицательный потенциал.
Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, образуемое постоянным магнитом, полюсы которого находятся вблизи торцовых поверхностей анодного блока. Поэтому движение электронов в пространстве взаимодействия подобно движению электронов в системе цилиндрических электродов, помещенной в осевое магнитное поле (рис. 4-5). Однако траектории электронов в магнетроне более сложные, так как, помимо постоянных электрического и магнитного полей, в пространстве взаимодействия имеется переменное электрическое поле, влияющее на движение электронов.
Принцип действия . Механизм возникновения незатухающих колебаний в магнетроне такой же, как и в любом автогенераторе. Начальные колебания в резонаторах магнетрона возникают в результате флуктуации электронного потока. Частота этих колебаний в общем случае несколько отличается от собственной резонансной частоты колебательных систем, так как анодный блок магнетрона образует систему сложно связанных контуров. Колебания поддерживаются за счет энергии источника постоянного напряжения анод - катод, которая с помощью электронного потока, ускоряемого постоянным электрическим полем и взаимодействующего с переменным электрическим полем вблизи щелей резонаторов, передается полю волны. Такую направленную передачу энергии можно осуществить, как известно, если электронный поток взаимодействует с переменным электрическим полем определенной фазы. Для этого электронный поток должен быть сгруппирован в сгустки, время прохождения которых вблизи щели резонатора совпадало бы со временем существования там поля в нужной фазе.
Движение электронов от катода к аноду в магнетроне происходит не во всех азимутальных направлениях равномерно. Потоки электронов к аноду создаются лишь в некоторых областях пространства взаимодействия, образуя так называемые электронные спицы (рис. 5-2, а). Число спиц зависит от характера высокочастотных колебаний и в наиболее употребительном режиме работы магнетрона равно половине числа резонаторов. Электроны в спицах перемещаются к аноду по сложным петлеобразным траекториям, так как характер их движения определяется суммарным воздействием постоянного и переменного электрических полей и постоянного магнитного поля.
Спицы образуются вблизи участков катода, лежащих против тех сегментов анода, которые в данный момент оказываются благодаря наложению переменного электрического поля заряженными до более положительного потенциала (рис. 5-2, б). Так как с изменением фазы колебаний меняются знаки заряда на сегментах анода, то изменяются и участки катода, вблизи которых формируются спицы. Спицы как бы вращаются в пространстве взаимодействия со скоростью, зависящей от частоты колебаний и фазовых соотношений для полей двух соседних резонаторов.
Скорость вращения спиц такова, что моменты прохождения электронов вблизи щелей резонаторов всегда совпадают с моментами существования там нужной фазы поля. Иначе говоря, вращение спиц синхронизируется с изменением фазы высокочастотных колебаний.
При сложном движении в спице от катода к аноду электроны на каждом витке теряют часть своей потенциальной энергии, которая и передается полю.
Электроны, отдавшие свою энергию полю, непрерывно уходят на анод, а спицы пополняются новыми электронами, эмиттированными катодом. Таков в общих чертах принцип работы многорезонаторного магнетрона.
5-2. Виды колебаний в магнетроне
Возможные виды колебаний. Как видно из рис. 5-1, анодный блок магнетрона представляет собой цепочку из N объемных резонаторов, свернутую в кольцо. Вообще говоря, в такой системе связанных резонаторов может возникнуть N различных видов колебаний. Однако в замкнутой системе из N резонаторов существуют только те колебания, для которых суммарная разность фаз при обходе по окружности анодного блока равна:
Ф = 2πn, (5-1)
где n = 0, 1, 2, ..., N определяет число целых периодов высокочастотного колебания, укладывающихся вдоль окружности анодного блока.
Иначе говоря, если волна в некоторой точке анодного блока характеризовалась фазой ψ, то при распространении вдоль цепочки резонаторов она должна возвратиться в эту точку с той же фазой. В противном случае в результате интерференции волна уничтожится.
Разность фаз колебаний в соседних резонаторах, следовательно, должна быть равна:
Из формулы (5-2) легко видеть, что при целочисленных значениях n, больших N, возможные величины фазовых сдвигов будут повторять величины φ для 0
Основным видом колебаний в многорезонаторном магнетроне являются π-колебания или противофазные колебания, соответствующие n = N/2 и φ = π. Этот вид колебаний не имеет дублета и, как будет показано, возникает при меньших, по сравнению с другими видами, анодных напряжениях и магнитных полях.
Колебания π-вида, как это видно из (5-2), могут возникнуть в магнетроне лишь при четном числе N. Поэтому анодные блоки многорезонаторных магнетронов обязательно содержат четное число резонаторов.
Поля в магнетроне . На рис. 5-3 показаны картины переменных электрического и магнитного полей в магнетроне при разных значениях n. Для наглядности анодный блок магнетрона изображен в развернутом виде (рис. 5-3, а). Ниже на развертках анодного блока пунктиром показаны силовые линии переменного магнитного поля для момента времени, соответствующего максимуму тока в контуре. Под развертками блока изображены кривые распределения высокочастотного потенциала вдоль поверхности анода. Силовые линии переменного электрического поля, когда ток в контуре равен нулю, показаны слева.
5-3. Взаимодействие электронов с переменным электрическим полем
Образование электронных спиц . Образование переменного по плотности электронного потока - электронных спиц - в многорезонаторном магнетроне осуществляется, как и во всех приборах типа М, за счет взаимодействия электронов с переменным неоднородным электрическим полем. Физические процессы, лежащие в основе такого взаимодействия, рассмотренные в гл. 4, справедливы и для многорезонаторного магнетрона.
В отсутствие колебаний в магнетроне электрон, покинувший катод с нулевой скоростью, движется по эпициклоидальной траектории (рис. 5-4, а). При возникновении колебаний вблизи щелей резонаторов образуются неоднородные электрические поля.
Рис. 5-4. Картины неоднородного электрического поля и траектории электронов. а - в отсутствие колебаний; б - траектория нерабочего электрона; в - траектория "рабочего" электрона
В отличие от рассмотренного в гл. 4 случая плоских электродов, движение электронов в магнетроне следует рассматривать с учетом его взаимодействия с радиальной и тангенциальной составляющими переменного электрического поля. Однако общая картина от этого не меняется. Воздействие радиальной составляющей поля аналогично влиянию поперечной составляющей в случае плоских электродов, а тангенциальная составляющая поля действует так же, как продольная. На рис. 5-4, б и в показаны картины неоднородного электрического поля, составляющие векторов напряженностей в различных точках поля и характер движения электронов для двух различных моментов времени, разделенных интервалом, равным половине периода колебаний.
В первом случае электрон, вылетевший с поверхности катода, описывая дугу эпициклоиды, оказывается в поле резонатора в тот момент, когда вектор тангенциальной составляющей поля противоположен по направлению вектору скорости электрона в верхней части витка. Суммарное электрическое поле в точке 5 характеризуется вектором ε σ 5 , отклоненным от радиального направления влево. В результате поверхность качения образующей окружности искривляется и электрон, описав виток, оказывается у поверхности катода с некоторым запасом энергии, которую он и рассеивает в виде тепла при соударении с катодом. Таким образом, большинство электронов, вылетающих с катода против резонаторов, поле которых характеризуется рассмотренной фазой, удаляются на катод. Исключение могут составить лишь те электроны, начальная скорость которых позволит им остаться в пространстве взаимодействия. Взаимодействие этих электронов с радиальной составляющей приводит к уменьшению плотности электронного потока в этой области поля. В самом деле, скорость электрона в точке 4 уменьшается, а в точке 6 - увеличивается относительно скорости центрального электрона, находящегося в точке 5 (см. § 4-2). Происходит разгруппирование электронов.
Иной характер имеет движение электронов, попадающих в противоположную фазу поля (рис. 5-4, в). Под действием радиальной составляющей электрон в точке 1 приобретает дополнительную скорость в тангенциальном направлении, а скорость электрона в точке 3 уменьшается. Электроны группируются в сгусток вокруг электрона, находящегося в точке 2. Происходит фазовая фокусировка электронного потока.
В результате сложения вектора тангенциальной составляющей неоднородного поля ε τ 2 и вектора ε постоянного электрического поля суммарный вектор ε σ 2 отклоняется вправо. Поверхность качения образующей окружности поднимается над поверхностью катода. Траекторию движения электрона можно приближенно представить как траекторию точки окружности, катящейся по некоторой криволинейной поверхности, уходящей от катода к аноду. Число "петель" в траектории и "крутизна" образующей поверхности зависят от величины анодного напряжения, магнитной индукции, а также от интенсивности переменного электрического поля.
Итак, на анод, описывая петлеобразные траектории, устремляются лишь электроны, покидающие те участки катода, против которых в данный момент времени существует тормозящее электроны переменное электрическое поле: в магнетроне образуются электронные спицы. Число таких спиц при противофазном виде колебаний равно половине числа резонаторов (см. рис. 5-2, а).
Движение электронных спиц . Поскольку через каждые полпериода знаки высокочастотных потенциалов на сегментах меняются на обратные (неоднородное поле как бы вращается вокруг оси прибора), перемещаются вслед за полем и электронные спицы. Для обеспечения нужной угловой скорости вращения спиц требуется, как мы увидим далее, определенная величина разности потенциалов между анодом и катодом. Такое синхронное с перемещением поля вращение электронных спиц обеспечивает не только непрерывное уплотнение электронов в спицах - их фазовую фокусировку, но и необходимый режим обмена энергией между электронами и сверхвысокочастотным полем.
Передача энергии от электронов полю . Электроны, образующие спицу одновременно с вращательным движением, описывая витки эпициклоиды, поднимаются от катода и постепенно уходят на анод. По мере вращения спица пополняется электронами с новых участков катода. Таким образом, электроны в спицах непрерывно перемещаются в радиальном направлении от катода к аноду. Эта составляющая движения электронов сопровождается уменьшением их потенциальной энергии.
Энергия электронов передается электромагнитному полю, взаимодействие с электрической составляющей которого и служит причиной рассмотренного движения электронов.
Для обеспечения радиального перемещения электронов, как и для вращательного движения спиц, требуются определенные величины разности потенциалов анод - катод и напряженности магнитного поля.
5-4. Рабочий режим магнетрона
В предыдущих параграфах отмечалось, что для обеспечения движения рабочих электронов по петлеобразным траекториям, их перемещения в радиальном направлении и получения нужной угловой скорости вращения спиц требуются определенные соотношения между напряженностью ε постоянного электрического поля и магнитной индукцией В. Выбор соответствующих величин ε и В и определяет рабочий режим магнетрона.
Парабола критического режима . Если анодное напряжение магнетрона больше критического, то условия передачи электронами энергии высокочастотному полю не выполняются. В самом деле, при U а > U а.кр электроны, двигаясь по криволинейным траекториям (см. рис. 4-7), устремляются к аноду. При этом высокочастотные колебания, даже если они и возникли, не могут поддерживаться за счет энергии электронов, которые не описывают петель и практически не взаимодействуют с переменным электрическим полем вблизи щелей резонаторов. Поэтому рабочие значения анодных напряжений должны лежать ниже параболы критического режима (рис. 4-6), которая описывается уравнением (4-38).
Потенциал синхронизации . Однако для нормальной работы магнетрона недостаточно движения электронов по петлеобразным траекториям. Необходимо, кроме того, добиться вращения спиц с определенной угловой частотой, синхронной с изменением фазы сверхвысокочастотных колебаний. Условие синхронизма может выполняться при различных значениях угловой скорости вращения спиц. В самом деле, при колебаниях вида π время t c движения спицы между двумя соседними резонаторами может равняться не только половине периода, но и любому целому числу полупериодов:
где p = 0, 1, 2, 3 ...
Графики движения электронов для колебаний π-вида при различных значениях р изображены пунктирными прямыми на рис. 5-5.
Рис. 5-5. Картина переменного электрического поля и графики движения электронов при колебаниях π-вида
На графике по оси ординат отложено время и под резверткой анодного блока изображены кривые распределения высокочастотного потенциала через каждые четверть периода. В течение всего времени узлы напряжения остаются в середине щелей. Во всех случаях, когда р - целое число, электроны оказываются в тормозящем поле вблизи каждого резонатора. В зависимости от р изменяется лишь угловая скорость ω 0 вращения электронов. Максимальная величина ω 0 соответствует p = 0, когда t c = T/2.
Для характеристики угловой скорости вращения электронов удобно ввести некоторый параметр k, равный числу периодов, в течение которых электрон проходит мимо всех резонаторов и возвращается к исходной точке. Тогда время движения электрона между соседними резонаторами, выраженное в долях периода Т, определится соотношением
В случае π-колебаний выражение (5-3) принимает вид:
Обобщая это соотношение и для других видов колебаний, получим:
Используя параметр k, нетрудно получить выражение угловой скорости вращения электронов для колебаний любого вида:
где λ = сТ - длина волны колебаний в магнетроне, а c - скорость света.
Для обеспечения угловой скорости вращения необходимо, чтобы электрон, находящийся в спице у поверхности анода, обладал тангенциальной скоростью
Кинетическую энергию в магнетроне электрон приобретает за счет постоянного электрического поля, определяемого разностью потенциалов U а. У поверхности анода (r = r а) наибольшее значение энергии электрона равно:
E K = eU a . (5-9)
В условиях синхронного движения энергия электрона у поверхности анода должна быть:
Приравнивая (5-9) и (5-10), получим значение анодного напряжения, необходимого для обеспечения синхронного вращения электронов:
Эта величина, называемая потенциалом синхронизации, определяет наименьшее (для заданного k) значение анодного напряжения, при котором возможно синхронное вращение электронных спиц.
Подставляя в (5-11) численные значения всех постоянных и выражая U c в вольтах, получим:
Это выражение получено в предположении, что электрон движется по окружности, соосной поверхности анода, и с радиусом, близким к величине r а. В действительности электроны движутся в магнетроне по сложным петлеобразным траекториям и тангенциальная составляющая их скорости зависит как от скорости переносного движения центра образующей окружности, так и от скорости движения самого электрона относительно этого центра.
Пороговое напряжение . Приблизившись к поверхности анода и передав полю значительную часть своей энергии, электрон должен быть удален из пространства взаимодействия. В противном случае такой отработавший, медленно движущийся электрон отстанет от спицы и отберет энергию у переменного поля. Для того чтобы отработавшие электроны попадали на анод, а также для обеспечения необходимой тангенциальной скорости электронов с учетом их движения по петлеобразным кривым требуется анодное напряжение несколько выше потенциала синхронизации U c .
На электрон, удаленный от центра магнетрона на расстояние r и вращающийся вокруг оси прибора с угловой скоростью ω 0 , действуют три силы (рис. 5-6): сила F e постоянного электрического поля направлена по радиусу к аноду; сила Лоренца F м, возникающая при пересечении электроном силовых линий магнитного поля, в соответствии с правилом правой руки, направлена к катоду; и, наконец, третья, центробежная сила F д, совпадает по направлению с силой F e .
Для того чтобы электрон достиг анода, кинетическая энергия его движения в радиальном направлении должна быть больше нуля и, следовательно, работа сил F e и F д должна быть больше или, по крайней мере, равна работе силы F м.
Из этих соображений легко определить [Л. 2] пороговое напряжение, т. е. величину наименьшего анодного напряжения, при котором отработавшие электроны удаляются на анод:
Подставляя сюда формулу (5-7) для ω 0 и выражая напряжение в вольтах, получим:
Отсюда видно, что для удовлетворения поставленных условий удаления отработавших электронов на анод анодное напряжение должно быть больше потенциала синхронизации, причем если величина U c не зависит от напряженности магнитного поля, то пороговое напряжение растет пропорционально величине В.
Диаграмма рабочего режима . Итак, мы рассмотрели ряд условий нормальной работы магнетрона и получили уравнения: для критического потенциала (4-38), для потенциала синхронизации (5-12) и для порогового анодного напряжения (5-14).
Все три эти зависимости изображены на рис. 5-7. Парабола критического режима отделяет на плоскости В - U a нерабочую область (заштрихована). При значениях В и U а для любой точки в этой области электроны в магнетроне не описывают петлеобразных траекторий и колебания отсутствуют. Величина потенциала синхронизации (5-12) не зависит от В, но изменяется в зависимости от к. На рис. 5-7 линия U c проведена лишь для режима π-колебаний (n = 4; р = 0; N = 8). Для других k = n (p = 0) потенциал синхронизации отмечен точками на параболе критического режима.
Линия порогового напряжения (5-14) при различных k(p = 0) изображаются на плоскости В - U а в виде прямых, касательных к параболе критического режима в точках, соответствующих значению потенциала синхронизации для данного вида колебаний. В справедливости этого нетрудно убедиться, если в выражение (5-14) подставить значение критического потенциала (4-38).
Таким образом, для колебаний π-вида нерабочей областью является также часть плоскости, лежащая ниже прямой порогового напряжения (k = 4). При этих значениях U a и В либо не выполняется условие синхронного движения спиц (U а
5-5. Анодный блок магнетрона
Эквивалентная схема анодного блока . Наиболее употребительные формы резонаторов магнетронов показаны на рис. 5-8, где, помимо уже известных нам, изображены также резонаторы, образованные короткозамкнутыми отрезками волноводов. Однако при любой конфигурации резонаторов анодный блок представляет собой систему сложно связанных контуров. Контуры магнетрона прежде всего связаны между собой кондуктивно, так как по поверхности сегмента анодного блока протекают токи соседних резонаторов. Помимо этого, между соседними резонаторами существует также емкостная связь через емкости, образованные сегментами анодного блока и поверхностью катода. И, наконец, соседние резонаторы связаны между собой индуктивно (силовые линии переменного магнитного поля в резонаторе замыкаются через соседние отверстия).
Преобладание того или иного вида связи определяется конструкцией анодного блока и, в частности, его высотой h. При малой величине h преобладает индуктивная связь между отдельными резонаторами, а с увеличением высоты h анодного блока все большую роль играет связь емкостная. Одна из возможных, эквивалентных схем анодного блока магнетрона с большим h представлена на рис. 5-9. Величины L 0 и С 0 - эквивалентные индуктивность и емкость резонатора соответственно. Резонаторы связаны между собой кондуктивно, а также через емкости С а-к анод - катод.
Анализ такой эквивалентной схемы показывает [Л. 2], что длина волны генерируемых колебаний зависит как от реактивных параметров, так и от числа n:
Отношение С а-к /С 0 в магнетронах обычно равно 0,1-0,4.
Зависимость (5-15) для восьмирезонаторного магнетрона показана на рис. 5-10 (кривая 1). Там же нанесена аналогичная зависимость (кривая 2), но для случая преобладания индуктивной связи в магнетроне. Из кривых видно, что колебания вида я незначительно отличаются по длине волны от колебаний соседних видов. С увеличением числа резонаторов, а следовательно, и числа n это отличие становится все меньше. Кроме того, вследствие малого отличия частоты π-колебаний от колебаний соседних видов работа магнетронного генератора может быть неустойчивой.
В результате изменения режима питания, характера нагрузки и других причин в магнетроне могут вместо π-колебаний возникнуть колебания другого вида (скачок частоты). Возможно также одновременное существование колебаний вида π и соседнего вида колебаний. Распределение высокочастотного поля при этом нарушается, условие синхронизма выполняется плохо, падают мощность и к. п. д. магнетрона. Следовательно, нельзя увеличивать число резонаторов с целью повышения мощности колебаний, что особенно важно на более коротких волнах.
Разделение видов колебаний с помощью связок . Для устранения нестабильностей в магнетронах принимаются специальные меры. Хороший эффект дают специальные связки, имеющие в простейшем случае форму колец (рис. 5-11). Одно из колец приваривается к четырем четным сегментам анодного блока, а другое - к четырем нечетным. Связки вносят в колебательную систему магнетрона дополнительные емкость и индуктивность. Вносимая емкость определяется не только размерами самих связок и их расстоянием от поверхности анодного блока, но и разностью высокочастотных потенциалов между двумя кольцами. Индуктивность зависит как от размеров самих связок, так и от токов, протекающих по связкам.
При противофазном виде колебаний каждое из колец соединяется с сегментами блока, находящимися под одинаковым потенциалом. Таким образом, разность фаз высокочастотных потенциалов двух связывающих колец равна π и емкостное действие связок весьма существенно. В то же время индуктивный эффект связок при π-колебаниях минимален, поскольку каждое кольцо приваривается к сегментам с одинаковым потенциалом, и уравнительные токи в связках близки к нулю. Следовательно, результирующее влияние связок при π-колебаниях имеет емкостный характер. Емкость, вносимая связками в резонаторы, параллельна их собственной емкости. В результате суммарная емкость увеличивается и длина волны при π-колебаниях возрастает.
При колебаниях других видов высокочастотные потенциалы сегментов, соединенных с каждым из колец, неодинаковы, и поэтому средняя разность потенциалов между связками меньше, чем при противофазных колебаниях. Вследствие этого вносимая связками емкость уменьшается, а вносимая индуктивность увеличивается, так как вследствие различия высокочастотных потенциалов двух сегментов, присоединенных к одному кольцу, в нем протекают уравнительные токи. Результирующее влияние связок носит индуктивный характер. Вносимая индуктивность параллельна собственной идуктивности резонаторов; суммарная индуктивность уменьшается, уменьшается и длина волны колебаний.
Изменение длины волны колебаний от величины n при использовании различных видов связок показано на рис. 5-10 (кривая 5 - для связок рис. 5-11, а, а кривая 4 - для связок рис. 5-11, б).
Из сравнения этих кривых с кривыми 1 и 2 видно, что применение связок позволяет значительно увеличить разность частот π-колебаний и соседнего с ним вида. Для устойчивой работы магнетрона необходимо, чтобы частота колебаний вида n = N/2-1 отличалась от частоты противофазных колебаний не менее чем на 4%. Обычно добиваются, чтобы разнос частот был порядка 10-15%.
Повышению устойчивости работы магнетрона на противофазном виде колебаний способствует также применение асимметричных связок, например колец, имеющих разрыв. Применение асимметричных связок нарушает ориентацию высокочастотных полей, возникающих при колебаниях, отличных от противофазного, и, таким образом, еще больше затрудняет их появление. Следует также отметить, что увеличение длины волны колебаний π-вида вследствие применения связок приводит к соответствующему понижению порогового напряжения, что сопровождается увеличением мощности генерируемых колебаний и к. п. д. магнетрона.
Применение связок имеет и некоторые недостатки. Так, например, высокочастотное поле, образуемое связками и не зависящее от азимутального угла, искажает в некоторой степени электрическое поле в пространстве взаимодействия и ухудшает работу магнетрона. Кроме того, введение связок увеличивает высокочастотные потери, величина которых растет с укорочением длины волны генерируемых колебаний. Для исключения этого влияния связки экранируют, размещая их в специальных канавках в анодном блоке.
Разнорезонаторный анодный блок . В магнетронах, работающих на волнах λ = 3 см и короче, используют другой метод разделения частот - разнорезонаторный анодный блок.
В разнорезонаторном анодном блоке размеры каждого второго резонатора несколько увеличиваются по сравнению с размерами в обычном анодном блоке; размеры же второй половины резонаторов уменьшаются (рис. 5-12). Получаются как бы две системы резонаторов, одна из которых настроена на короткую волну, а другая - на более длинную.
Для определения в разнорезонаторной системе длин волн колебаний, соответствующих различным значениям n, можно воспользоваться формулой (5-15), считая, что анодный блок состоит из двух различных систем: больших (h б) и малых (h м) резонаторов. При вычислении этих длин волн вместо λ 0 нужно подставлять резонансную длину волны большого или малого резонатора соответственно. Но так как число одинаковых резонаторов в системе вдвое меньше общего числа N резонаторов, то для каждой системы одинаковых резонаторов вводят свое число n", величина которого не может быть больше N/4.
На рис. 5-13 показано (кривая 3) изменение длины волны в зависимости от величины n в разнорезонаторном магнетроне (N = 18). Верхняя ветвь этой кривой, вплоть до n = 4, соответствует первой - длинноволновой группе колебаний при нулевом фазовом сдвиге между колебаниями в больших и малых резонаторах. Характер изменения длины волны здесь такой же, как и для обычного магнетрона без связок (кривая 1): с увеличением n длина волны уменьшается.
Нижняя ветвь кривой от n = 5 до n = N/2 = 9 соответствует второй - коротковолновой группе колебаний. Здесь с возрастанием n длина волны уменьшается. На рис. 5-13 приведена для сравнения также кривая 2 для магнетрона со связками.
Разнос частот при разных n зависит от соотношения h б /h м (рис. 5-12), возрастая при его увеличении. Однако при значительных величинах h б /h м усиливается влияние составляющей высокочастотного поля, не зависящей от азимутального угла и ухудшающей взаимодействие электронного потока с высокочастотным полем.
Преимущество разнорезонаторной системы перед анодным блоком со связками заключается прежде всего в том, что на величину разделения частот не влияет высота анодного блока. Кроме того, высокочастотные потери в разнорезонаторном анодном блоке значительно меньше, что позволяет повысить к. п. д. магнетрона.
5-6. Параметры и характеристики магнетронов
Многорезонаторные магнетроны, как и другие электронные приборы, характеризуются рядом параметров, обусловливающих эксплуатационный, предельный, климатический и другие режимы их работы.
Параметры электрического режима . Справочными данными, как правило, оговариваются: величины напряжения U н или тока I н накала и их допустимые отклонения, не превышающие обычно ±10%; номинальное анодное напряжение U а и допустимый верхний предел этой величины; номинальное и допустимые верхнее и нижнее значения тока I а; напряженность или индукция магнитного поля. Для магнетронов, работающих в импульсном режиме, в справочнике указывают номинальные и допустимые величины длительности импульсов анодного напряжения, их скважности и крутизны фронтов - величин, в значительной степени определяющих спектр генерируемых магнетроном колебаний.
Мощность генерируемых колебаний . Многорезонаторные магнетроны используются обычно в качестве генераторов мощных СВЧ колебаний в импульсном или непрерывном режиме. Поэтому важнейший параметр этих приборов - величина генерируемой мощности
P вых = ηI а U а, (5-61)
где η - полный к. п. д. магнетрона. Таким образом, величина Р вых зависит не только от электрического режима работы магнетрона, но и от другого важнейшего параметра - к. п. д. прибора.
Коэффициент полезного действия магнетрона определяется отношением мощности сверхвысокочастотных колебаний к мощности, подводимой к магнетрону от источника постоянного напряжения в анодной цепи.
Электроны, получая энергию от постоянного электрического поля, не полностью передают ее высокочастотному полю резонаторов. Некоторые электроны вообще не участвуют в механизме передачи энергии, так как в самом начале, получив дополнительное ускорение, возвращаются обратно на катод и нагревают его, отдавая при соударении с его поверхностью оставшуюся энергию. Рабочие электроны, образующие спицы и многократно взаимодействующие с высокочастотным полем, в большинстве случаев достигают анода, не израсходовав полностью своей энергии, и передают ее остаток аноду, нагревая его при соударении. Таким образом, часть энергии, полученной электронами от постоянного электрического поля, расходуется бесполезно. Этот расход энергии называют электронными потерями. Отношение энергии, полученной высокочастотным полем от электронного потока, к полной энергии, сообщенной электронам постоянным электрическим полем, называется электронным к. п. д. магнетрона η эл. Эта величина характеризует эффективность взаимодействия электронного потока с переменным электрическим полем. Энергия высокочастотных колебаний расходуется также и в самих резонаторах (на восполнение потерь, обусловленных активным сопротивлением), в устройствах вывода энергии, в диэлектриках и т. п. Эти потери определяются к. п. д. колебательной системы η к. Коэффициент полезного действия магнетрона, таким образом, равен:
η = η эл η к. (5-17)
Величина электронного к. п. д. магнетрона существенным образом зависит от режима его работы. Для определения η эл необходимо знать не только энергию, получаемую электроном от постоянного электрического поля, но также величину неизрасходованной электроном энергии (кинетическую энергию, с которой электрон достигает анода). Для выполнения условий синхронизма электрон должен двигаться у поверхности анода со скоростью, не меньшей U c . Поэтому кинетическая энергия электрона, достигающего анода, не может быть меньше eU c . Следовательно, электронный к. п. д. магнетрона равен:
Однако рассчитанный по этой формуле электронный к. п. д. оказывается выше экспериментальной величины η эл. Объясняется это тем, что кинетическая энергия электрона, попадающего на анод, в действительности значительно больше величины eU c . Электроны движутся в пространстве взаимодействия, описывая петлеобразные траектории. Если анодное напряжение близко к пороговому напряжению, то электроны медленно поднимаются от катода к аноду и попадают на анод, находясь, как правило, в вершине "петли". Если тангенциальная скорость движения оси образующей окружности равна (из условия синхронизма) U с, то тангенциальная скорость движения электрона относительно катода примерно в 2 раза больше, а его кинетическая энергия - в 4 раза больше принятой величины. В рабочем режиме анодное напряжение в магнетроне обычно больше величины U п и электроны поднимаются к аноду по более крутой петлеобразной траектории. Они могут достигать анода как на вершине петли, так и у ее начала, где скорость электрона близка к нулю. Поэтому среднее значение кинетической энергии у поверхности примерно в 2 раза больше величины eU c . Величина электронного к. п. д. в современных многорезонаторных магнетронах достигает величины 50-70% и более.
Рабочая длина волны λ 0 или рабочая частота колебаний ω 0 определяется, как это было показано в § 5-5, параметрами резонаторов и конструкцией анодного блока. В многорезонаторных магнетронах обычной конструкции изменение рабочей частоты в небольших пределах может быть получено с помощью специальных устройств, изменяющих емкость или индуктивность резонаторов (см далее § 5-7).
При конструировании генераторных устройств на многорезонаторных магнетронах особое внимание уделяется стабилизации частоты колебаний. С этой целью, как уже было сказано выше, используются связки, применяются разно-резонаторные анодные блоки и др. Однако рабочая частота магнетрона существенным образом зависит от характера нагрузки и способа ее подключения к магнетрону. Степень изменения частоты под влиянием нагрузки характеризуют такими параметрами, как электронное смещение частоты, затягивание частоты и др. Наиболее полно эти явления отображаются так называемой нагрузочной характеристикой магнетрона. Подробно работа магнетрона в реальных условиях рассматривается в курсе "Радиопередающие устройства", и поэтому обсуждение этих вопросов выходит за рамки настоящей книги.
Рабочие характеристики магнетронов . В качестве рабочих характеристик магнетронов приняты зависимости U a = f(I a) при постоянных величинах В, Р вых, η и ω 0 . Обычно линии постоянных значений В, Р вых и η изображаются на одном графике в координатах I а - U a . Эти семейства кривых и называют рабочими характеристиками многорезонаторных магнетронов.
На рис. 5-14 показаны рабочие характеристики магнетрона со следующими параметрами: рабочий режим - импульсный, число резонаторов N = 8, радиус катода r к = 0,3 см, радиус анода r а = 0,8 см, высота анодного блока h = 2 см, частота (в режиме π-колебаний) f = 2800 Мгц, рабочее анодное напряжение U а = 16 кв, напряженность магнитного поля в рабочем режиме H = 128000 а/м, рабочий анодный ток (в импульсе) I а = 20 а, к. п. д. η = 42%, генерируемая мощность (в импульсе) Р вых = 35 квт.
При малых анодных напряжениях и соответственно меньших В к. п. д. магнетрона невелик. Поэтому использование низких анодных напряжений не имеет смысла. Значительное увеличение анодного напряжения, хотя и сопровождается некоторым ростом к. п. д. и генерируемой мощности, требует, кроме того, повышения напряженности магнитного поля. Работа с очень большими значениями U a и В встречает серьезные технические затруднения; они не оправдываются повышением к. п. д., который при увеличении U a растет сначала быстро, а затем медленно.
При малых анодных токах магнетрон работает неустойчиво. Большая часть электронов возвращается на катод, к. п. д. и генерируемая мощность невелеки. Чрезмерное увеличение тока также нежелательно, так как при этом сильно разогревается анодный блок, катод работает с перегрузкой и требуется дальнейшее повышение U a .
Вследствие указанных причин для каждого типа магнетрона существуют рабочие пределы изменений U a и I а. Другие параметры (В, η, Р вых) при выбранных значениях анодного напряжения и тока однозначно определяются рабочими характеристиками.
Рассмотрим семейство кривых В = const. При заданной величине В и при повышении U a анодный ток вначале мал и растет медленно. Эта часть кривых соответствует анодным напряжениям ниже порогового. Большинство электронов не попадает на анод, а под действием силы F м возвращаются на катод. При дальнейшем увеличении U a анодный ток резко увеличивается и кривые U a = f(I a) представляют собой отрезки почти прямых линий, образующих с осью абсцисс небольшой угол. Эта рабочая часть характеристик соответствует значениям U a > U п.
С увеличением В для получения той же величины I a требуются большие значения анодного напряжения, причем, как это видно из рис. 5-14, одинаковые приращения В требуют и одинаковых приращений U a (линии В = const при равных приращениях В расположены на одном и том же расстоянии друг от друга). Иными словами, анодное напряжение пропорционально напряженности магнитного поля, что полностью согласуется с формулой (5-14) для порогового напряжения. Величину U п здесь легко определить графически, продолжив линейную часть характеристик B = const до пересечения с осью ординат.
Кривые второго семейства (P выx = const) имеют гиперболический характер. Колебательная мощность в магнетроне определяется выражением Р вых = ηI а U а. Коэффициент полезного действия меняется в зависимости от I а и U a . Поэтому линии P выx = const не являются правильными гиперболами.
На рис. 5-14 видно, что I а = const и при увеличении U a к. п. д. магнетрона увеличивается. Это объясняется главным образом тем, что увеличение U a и В сопровождается уменьшением радиуса образующей окружности и, следовательно снижением скорости, с которой электроны попадают на анод. С увеличением анодного тока (при В = const) η сначала несколько увеличивается, а затем снижается.
Небольшая величина η при очень малых анодных токах объясняется большими электронными потерями. Кроме того, вследствие малой интенсивности колебаний в резонаторах фокусирующее действие переменного электрического поля незначительно. Электроны плохо группируются в спицы, и условие синхронизма выполняется лишь для небольшой части электронов. При некотором увеличении I а к. п. д. возрастает, так как влияние указанных причин ослабляется. Дальнейшее увеличение тока сопровождается падением η за счет увеличения радиальной составляющей кинетической энергии у анода, а также вследствие взаимного расталкивания электронов в спицах.
5-7. Особенности конструкции многорезонаторных магнетронов
Условия работы магнетрона отличаются от условий работы не только обычных электронных ламп, но и других СВЧ приборов. Значительная часть электронов, эмиттируемых катодом, возвращается обратно. Эти электроны, попадая на катод с некоторым запасом кинетической энергии, разогревают его и вызывают с поверхности катода дополнительную вторичную эмиссию. На катоде выделяется около 5% всей мощности, рассеиваемой в магнетроне. Поток электронов, образуемый за счет вторичной эмиссии, составляет значительную часть электронов потока, эмиттируемого катодом. Величина вторично-эмиссионного тока такова, что магнетроны обычно продолжают нормально работать, если после их включения разомкнуть цепь накала. Поэтому катод магнетрона должен обеспечить значительную термоэлектронную эмиссию только в момент его включения. К особенностям работы катода в магнетроне следует отнести также сильное электрическое поле, так как обычно потенциал анода равен нескольким киловольтам, а в мощных магнетронах - десяткам киловольт, в то время как расстояния анод - катод не превышают нескольких сантиметров.
Катод в магнетроне должен обеспечить термоэмиссионный ток большой плотности. Он должен, кроме того, быть стойким к перегреву и действию сильных электрических полей, а также сохранять постоянство эмиссии во времени.
Наиболее часто в магнетронах используются подогревные оксидные катоды, которые позволяют получить плотность тока до 40 а/см 2 и способны работать в электрических полях до 70 кв/см. Коэффициент вторичной эмиссии этих катодов достигает нескольких десятков. В магнетронах применяют также вольфрамо-ториевые катоды, спекаемые из порошка, содержащего 96% вольфрама и 4% окиси тория. Эти катоды очень прочны, стойки к отравлению газами и после искрения восстанавливают первоначальную эмиссию. Камерные металлогубчатые и пропитанные катоды могут обеспечить ток плотностью до 80 а/см 2 и устойчиво работают при напряжениях до 20 кв.
Важную роль в работе магнетрона играет постоянное магнитное поле. Для получения высокого к. п. д. индукция магнитного поля должна быть порядка 0,3-0,6 вб/м 2 . Такое сильное магнитное поле создают мощные постоянные магниты специальной формы (рис. 5-15). В тех случаях, когда требуются особенно сильные магнитные поля, применяются пакетные магнетроны, у которых полюсные наконечники из ферромагнитного материала служат торцовыми стенками анодного блока. В пакетных магнетронах значительно сокращен воздушный промежуток между полюсами, что позволяет повысить напряженность магнитного поля или же уменьшить вес и габариты постоянного магнита, который обычно значительно тяжелее и больше по размерам самого магнетрона.
Частоту колебаний в магнетроне можно перестроить за счет изменения индуктивности или емкости колебательной системы с помощью металлических штырей - плунжеров, погружаемых в отверстия резонаторов, либо с помощью специальных металлических колец, расположенных в пазах на торцовой поверхности блока. Оба эти метода позволяют изменять частоту магнетрона не более чем на 5-7% от резонансной частоты. При большем отклонении частоты от среднего значения ухудшаются условия отделения противофазного вида колебаний от соседних видов.
5-8. Митрон
Определение . Митроном называют перестраиваемый по частоте прибор, работающий по принципу многорезонаторного магнетрона, но отличающийся от него устройством колебательной системы и эмиттирующего электроны катода.
Устройство митрона схематически показано на рис. 5-16, а. Анодный блок представляет собой систему (рис. 5-16, б) в виде двух дисков с рядом направленных навстречу друг другу штырей (сегментов). В центре пространства взаимодействия помещается металлический цилиндр, не предназначенный, в отличие от многорезонаторного магнетрона, для эмиссии электронов. Этот цилиндр, называемый холодным катодом или отрицательным электродом, вместе со штырями образует колебательную систему. Катод, в виде вольфрамовой спирали, эмиттирующий электроны, вынесен из пространства взаимодействия и окружен управляющим электродом в виде усеченного конуса с отверстием посредине. С помощью дисковых выводов анодный блок соединяется с внешней колебательной системой, конфигурация которой может быть различной. На рис. 5-16, в показана колебательная система в виде короткозамкнутого отрезка волновода, длина которого может изменяться с помощью короткозамыкающего поршня. Другая часть волновода представляет собой трансформатор волнового сопротивления, через который к митрону подключается фидер, идущий к нагрузке.
Дисковые выводы холодного катода, управляющего электрода и анодного блока электрически разделяются керамическими цилиндрами.
Магнитное поле, вектор напряженности которого параллелен оси прибора, как и в магнетроне, создается внешними магнитами.
Анодная колебательная система обычно заземляется, на катод подается отрицательное напряжение, а на управляющий электрод - тоже отрицательное напряжение, но несколько меньшей величины, так что между катодом и этим электродом существует ускоряющее поле.
Принцип действия митрона практически тождествен принципу работы многорезонаторного магнетрона. Митрон тоже работает, как правило, в режиже π-колебаний; так же как и в магнетроне, в пространстве взаимодействия формируются электронные спицы, вращающиеся синхронно с высокочастотным полем, протекают те же процессы энергетического взаимодействия электронов с полем, при которых они отдают волне потенциальную энергию.
Отличие заключается в несколько ином, нежели в магнетроне, электрическом режиме, который обеспечивается вынесенным из пространства взаимодействия эмиттирующим катодом и использованием дополнительной внешней низкодобротной колебательной системы. Эти отличия обусловливают возможность электронного управления частотой колебаний при изменении анодного напряжения. Поэтому митрон иногда в литературе называют магнетроном, настраиваемым напряжением.
В митроне, по сравнению с магнетроном, существенно уменьшена добротность Q колебательной системы. Это достигнуто за счет использования замедляющей системы типа встречных штырей, системы более широкополосной, чем замкнутая цепочка объемных резонаторов в магнетроне, а также подключением внешней колебательной системы, например в виде отрезка волновода. Уменьшение Q естественно сопровождается снижением уровня энергии, запасаемой в контуре, а следовательно, уменьшением амплитуды высокочастотных колебаний и, что особенно существенно, уменьшением реактивной составляющей тока контура. Вполне понятно, что уменьшение амплитуды высокочастотного поля в контуре, т. е. в зазоре между штырями требует снижения плотности объемного заряда в пространстве взаимодействия, так как в противном случае процесс формирования и фазовой фокусировки спиц будет неэффективным. В митроне уменьшение объемного заряда в пространстве взаимодействия достигается, главным образом, за счет конструкции катодного узла. Число электронов, попадающих в пространство взаимодействия, регулируется потенциалом U у.э управляющего электрода. Экспериментальные исследования показали [Л. 7], что при снижении плотности объемного заряда степень модуляции электронного потока по плотности возрастает. Иначе говоря, уменьшение числа электронов, поступающих в пространство взаимодействия, приводит в основном к снижению числа нерабочих электронов; плотность же объемного заряда в спицах уменьшается значительно меньше. Оптимальный режим работы митрона достигается в том случае, когда величина анодного тока равна примерно одной трети от тока, обусловленного поступлением электронов через отверстие в управляющем электроде.
Очень важно, что при таком режиме образования объемного заряда в пространстве взаимодействия величина анодного тока оказывается ограниченной. Иными словами, увеличение анодного напряжения не может привести к существенному росту анодного тока.
С изменением величины анодного напряжения в митроне, как и в магнетроне, нарушаются условия синхронизации вращения сверхвысокочастотного поля и электронных спиц. Появляется сдвиг фаз между электрическим полем и электронным током, возникает реактивная электронная проводимость. Для выполнения баланса фаз при новом значении U a реактивная проводимость резонатора также должна измениться. Это изменение, естественно, повлечет за собой изменение частоты колебаний. Но в магнетроне, где в силу высокой добротности реактивный ток резонатора значительно больше реактивной составляющей электронного тока, это изменение частоты невелико. В митроне же с низкодобротной колебательной системой изменение частоты оказывается значительным.
Кроме того, в силу ограничения тока в митроне изменение анодного напряжения и частоты колебаний не сопровождается, как это было в магнетроне (см. рис. 5-14), резким изменением мощности.
Рабочие характеристики и параметры . В качестве основных характеристик митрона используются зависимости Pвыx = f(U а); I а = φ(U а) и ω = ψ(U a) (рис. 5-17).
Ширина полосы Δω электронной перестройки частоты зависит от конструкции прибора и может изменяться для митронов разных типов от 15% относительно средней рабочей частоты до октавы (ω макс /ω мин ≈ 2) и более. Расширение полосы Δω неизбежно сопровождается уменьшением выходной мощности P вых и к. п. д.
Так, в относительно узкополосных митронах величина выходной мощности измеряется единицами или десятками ватт при изменении значения Р вых в диапазоне перестройки частоты не более чем на 2-3 дб и к. п. д. до 40%.
При расширении полосы Δω до октавы выходная мощность уменьшается до 0,5-3 вт, а к. п. д. снижается до 15-25%.
Величина выходной мощности в митроне может регулироваться с помощью напряжения U y.э на управляющем электроде. Однако с увеличением U y.э неизбежно меняется и частота генерируемых колебании (рис. 5-18).
Степень изменения частоты при изменении напряжении U а и U y.э не различна. Крутизна S кривой ω = ψ(U a) составляет 0,5-5 мгц/в, а крутизна S y.э не превышает 0,9 мгц/в. Митроны используются, главным образом, в качестве маломощных гетеродинов. По уровню собственных шумов они в настоящее время уступают отражательным клистронам и лампам обратной волны типа O.
В магнитном поле, направленном по его оси; в электронной технике - генераторный электровакуумный прибор СВЧ, в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.
Термин «М.» был введён американским физиком А. Халлом (A. Hull), который в 1921 впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы М. в статическом режиме и предложил ряд конструкций М. Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн (на волнах λ ≥ 29 см ) посредством М. открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек. В 20-е годы влияние магнитного поля на генерирование колебаний СВЧ исследовали физики: Е. Хабан (1924, Германия), А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг (1926-1929, СССР), К. Окабе и Х. Яги (1928-1929, Япония), И. Ранци (1929, Италия). В 30-е годы исследования М. как генератора СВЧ велись во многих странах. Основная задача этого периода - увеличение выходной мощности генерируемых колебаний - была решена в 1936-1937 советскими инженерами Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым под руководством М. А. Бонч-Бруевич а. Они увеличили мощность М. на 2 порядка (до 300 вт на волне 9 см ), применив в качестве анода массивный медный блок, содержащий ряд резонаторов. М. такой конструкции называют многорезонаторным. Эта конструкция М. оказалась настолько совершенной, что в последующие годы во всём мире разрабатывались и выпускались только многорезонаторные М. В М. применяют катод, имеющий форму полого цилиндра, внутри которого располагается подогреватель. Катод такой формы впервые был предложен для радиоламп советским академиком А. А. Чернышевым в 1918. В 30-е годы многие инженеры предлагали для М. катоды в форме полого цилиндра, например американский инженер К. Хенсел в 1933 (для М., у которого катод окружает анод), американские инженеры Л. Молтер, Дж. Райхман, Р. Гудрич в 1936 (для использования вторичной эмиссии катода в М.), советский инженер В. П. Илясов в 1939 (для многорезонаторного М.).
В 40-70-е годы в многорезонаторный М. инженерами многих стран (СССР, Великобритании, США, Японии и других) был внесён ряд улучшений, были разработаны более тысячи типов многорезонаторных М., в основном для радиолокации (См. Радиолокация). С конца 60-х годов резко увеличился выпуск М. непрерывного генерирования колебаний на волне Магнетрон 12 см для нагрева полями СВЧ в печах бытового назначения (мощностью 0,5-3 квт ) и промышленных установках (мощностью 5-100 квт ). В 1950-1970-е годы на основе многорезонаторного М. был создан ряд приборов для генерации и усиления колебаний СВЧ (см. Магнетронного типа приборы).
Распространение М. вызвано высоким кпд (до 80%), компактностью конструкции и стабильностью работы при сравнительно невысоких анодных напряжениях. В начале 70-х годов промышленно развитыми странами выпускаются М. для работы на различных частотах от 0,5 до 100 Ггц, с мощностями от нескольких вт до десятков квт в непрерывном режиме генерирования колебаний и от 10 вт до 5 Мвт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков мксек. М. выпускаются как неперестраиваемые (фиксированная частота), так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10%). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в сек ) - ротационные и вибрационные механизмы.
В простейшей конструкции многорезонаторного М. (рис. 1 ) анодный блок представляет собой массивный медный цилиндр с центральным круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40), выполняющими роль объёмных резонаторов (См. Объёмный резонатор). Каждый резонатор соединяется щелью с центральным отверстием, в котором расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему (См. Колебательные системы). Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн (См. Стоячие волны) от 1 до N/2 (N - число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при котором число полуволн равно числу резонаторов (так называемый π-вид колебаний). Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π. Для стабильной работы М. (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10%). Так как в М. с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной (рис. 2 , а), её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока (рис. 2 , б), либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные - другой) (рис. 2 , в).
В многорезонаторном М. на электроны, движущиеся в пространстве между катодом и анодным блоком, действуют 3 поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле и электрическое поле СВЧ (резонаторной системы). При перемещении электронов в радиальном направлении (от катода к аноду) энергия источника анодного напряжения преобразуется в кинетическую энергию электронов. Под влиянием постоянного магнитного поля, направленного по оси катода (перпендикулярно постоянному электрическому полю), электроны изменяют направление движения: их радиальная скорость переходит в тангенциальную, перпендикулярную радиальной, Так как часть электрического поля СВЧ через щели резонаторов проникает в пространство анод - катод, то электроны при движении в тангенциальном направлении тормозятся тангенциальной составляющей электрического поля СВЧ, и поэтому их энергия, полученная от источника постоянного напряжения, преобразуется в энергию колебаний СВЧ. Поле СВЧ дважды за период колебаний меняет направление. Для непрерывного торможения электронов необходимо, чтобы они от одного резонатора к соседнему (в тангенциальном направлении) перемещались за полпериода. Такой синхронизм между перемещением электронов и тормозящим электрическим полем СВЧ является основным принципом работы многорезонаторного М. Электроны, которые попадают в ускоряющее поле СВЧ, увеличивают свою кинетическую энергию и выпадают из синхронизма. Они либо возвращаются на катод, либо попадают в тормозящее поле СВЧ и снова входят в синхронизм.
Типичные характеристики М. приведены на рис. 3 . М. начинает работать, когда анодное напряжение достигает значения, соответствующего началу синхронизма. С увеличением напряжения условия синхронизма улучшаются; сила тока, выходная мощность и кпд М. увеличиваются. При оптимальных условиях синхронизма кпд М. достигает максимума. Дальнейшее повышение анодного напряжения постепенно ухудшает синхронизм и сопровождается снижением кпд, несмотря на увеличение силы тока и выходной мощности.
Лит.: Алексеев Н. Ф., Маляров Д. Е., Получение мощных колебаний магнетроном в сантиметровом диапазоне волн, «Журнал технической физики», 1940, т. 10, в. 15, с. 1297-1300; Фиск Д., Хагструм Г., Гатман П., Магнетроны, пер. с англ., М., 1948; Бычков С. И., Магнетронные генераторы, Л., 1948; Магнетроны сантиметрового диапазона, пер. с англ., под ред. С. А Зусмановского, ч. 1-2, М., 1950-51, Коваленко В. Ф., Введение в электронику сверхвысоких частот, 2 изд., М., 1955; Самсонов Д. Е., Основы расчёта и конструирования многорезонаторных магнетронов, М., 1966.
В. Ф. Коваленко.
Рис. 3. Типичная рабочая характеристика импульсного магнетрона. Заштрихованными участками обозначены области отсутствия генерации, сплошными линиями - импульсная выходная мощность Р и и напряжённость постоянного магнитного поля Н, пунктирными линиями - кпд (без учёта мощности подогрева катода).
Рис. 2. Виды резонаторных систем магнетрона (а - равнорезонаторная без связок, б - равнорезонаторная со связками, в - разнорезонаторная) и графики разделения их резонансных частот Δ=(f π - f n)/f π , где f π - частота колебаний, соответствующая π-виду колебаний, f n - частота колебаний, соответствующая n-му номеру колебаний. В 18-резонаторном магнетроне 9-й вид колебаний является π-видом.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Синонимы :Смотреть что такое "Магнетрон" в других словарях:
Магнетрон … Орфографический словарь-справочник
Магнетрон это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем. Со … Википедия
Многорезонаторный прибор для генерации эл. магн. колебаний СВЧ, основанный на вз ствии эл нов, движущихся в магн. поле по криволинейным траекториям с возбуждаемым эл. магн. полем. Анод М. массивный полый цилиндр, во внутр. части к рого вырезаны… … Физическая энциклопедия
магнетрон - а, м. magnétron m., англ. magnetron. спец. Электронная лампа специальной конструкции, в которой на электронный поток одновременно действуют постоянные электрическое и магнитное поля. БАС 1. Не включайте пустую печь, иначе магнетрон устройство, в… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
МАГНЕТРОН, вакуумная трубка, содержащая АНОД и разогретый КАТОД. Поток электронов от катода к аноду управляется внешне приложенным магнитным полем. Когда магнетрон используется в резонансной системе, он может действовать как ОСЦИЛЛЯТОР. Он… … Научно-технический энциклопедический словарь
Митрон, лампа Словарь русских синонимов. магнетрон сущ., кол во синонимов: 4 лампа (75) митрон … Словарь синонимов
- (от греч. magnetis магнит и...трон) электровакуумный прибор, мощный генератор электромагнитных волн сантиметрового диапазона. Принцип действия магнетрона основан на торможении электронов в скрещенных электрических и магнитных полях. Используется … Большой Энциклопедический словарь
- (Magnetron) электронная лампа без сетки; управление потоком электронов, испускаемых катодом и летящих к аноду, происходит при помощи магнитного поля, создаваемого катушкой, надетой на баллон лампы. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.:… … Морской словарь
магнетрон - Резонансный прибор М типа, в котором замкнутый электронный поток взаимодействует с СВЧ полем замкнутой замедляющей системы. [ГОСТ 23769 79] Тематики приборы и устройства защитные СВЧ Обобщающие термины приборы М типа EN magnetron … Справочник технического переводчика
МАГНЕТРОН - электровакуумный прибор для генерации электромагнитных колебаний диапазона сверхвысоких частот, в котором для создания нужных траекторий электронов используется постоянное магнитное поле. М. применяют в основном в радиолокационной аппаратуре и… … Большая политехническая энциклопедия
Магнетрон - 67. Магнетрон Magnetron Резонансный прибор М типа, в котором замкнутый электронный поток взаимодействует с СВЧ полем замкнутой замедляющей системы
Многосекционный магнетрон предложен для генерации мощных СВЧ колебаний и может быть использован преимущественно в передающих устройствах радиолокационных станций обнаружения и наведения, навигационных РЛС, а также в системах связи, сверхвысокочастотных промышленных установках для нагрева. Многосекционный магнетрон содержит магнитную систему, внешний объемный резонатор-сумматор мощности, а его секция включает анод, катод с оптимальным размером радиуса, пространство взаимодействия, резонаторную систему, торцовые полости, крышки торцовых полостей, устройство вывода энергии. Принципиальное отличие от прототипа заключается в том, что многосекционный магнетрон содержит k2 идентичных секций, расположенных на одной центральной продольной оси и соединенных последовательной электрической связью, а внешний объемный резонатор-сумматор мощности выполнен определенным образом, кроме того магнитная система выполнена общей, с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для всех секций. Технический результат заключается в том, что полезная модель «Многосекционный магнетрон» является совершенно новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленной полезной модели, устройством для генерации СВЧ колебаний большой мощности с высоким коэффициентом полезного действия в широком диапазоне длин волн. 1 н.п. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Полезная модель относится к электронной технике, а именно к электровакуумным приборам СВЧ, конкретно к мощным многорезонаторным магнетронам и может быть использована преимущественно в передающих устройствах радиолокационных станций обнаружения и наведения, навигационных РЛС, а также в системах связи, сверхвысокочастотных промышленных установках для нагрева.
В науке и технике импульсные многорезонаторные магнетроны обычной конструкции в зависимости от выходной импульсной мощности P и классифицируются на мощные P и >10 кВт и маломощные P и <10 кВт. Наибольшая мощность и коэффициент полезного действия (КПД) магнетронов могут достигать в дециметровом диапазоне P и =(2,55) МВт, КПД (8085) %; в сантиметровом диапазоне на частоте f=10 ГГц мощность P и =1 МВт при КПД около 55%; в миллиметровом диапазоне на частоте f=35 ГТц мощность P и =100 кВт при КПД около 30% [Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы. - М.: Радио и связь. 1981. 271 с. С.31].
Общим недостатком этих магнетронов является значительное снижение выходной мощности с ростом рабочей частоты, что объясняется соответствующим уменьшением конструктивных размеров анодного блока с резонаторами и катода, а также пространства взаимодействия электронов с СВЧ полем. При этом поперечные размеры анода (анодного отверстия) и катода магнетрона характеризуются соответствующими радиусами r A , r C (диаметрами d A , d C).
Кроме того недостатком, способствующим снижению выходной мощности, является резкое падение электронного и в целом полного КПД с ростом рабочей частоты, что не объясняется ни уменьшением конструктивных размеров магнетронов, ни существующей классической теорией магнетронов и многочисленными аналитическими моделями.
Указанная техническая проблема характерна практически для всех специальных электровакуумных, а также и твердотельных приборов СВЧ.
Известен выбранный в качества аналога многорезонаторный магнетрон, содержащий магнитную систему, анод, катод, пространство взаимодействия, резонаторную систему, торцовые полости, крышки торцовых полостей, устройство вывода энергии. Указанные признаки аналога являются общими с заявленной полезной моделью и совпадают с существенными признаками каждой из секций предложенной полезной модели «Многосекционный магнетрон». Известный аналог в конструктивном отношении выполнен с учетом эмпирической формулы для нахождения соотношения 5 радиусов катода и анода
где N - число резонаторов.
Число резонаторов N выбирается на основании ориентировочных опытных данных в зависимости от рабочего диапазона длин волн (табл.1).
| Таблица 1 | |||||||
| Опытные данные ориентировочного соответствия числа резонаторов N рабочему диапазону длин волн | |||||||
| , см | >40 | 2040 | 1020 | 510 | 25 | 12 | <1 |
| N | 46 | 68 | 812 | 818 | 1222 | 1640 | 1840 |
В табл.1 - длина волны в свободном пространстве. Применяют и другие эмпирические формулы для определения соотношения о, которые как и формула (1) не являются единственно правильными [Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования многорезонаторпых магнетронов. - М.: Сов. Радио. 1966. 224 с. С.40, 94, 123].
Недостатком известного магнетрона является отсутствие оптимизации его энергетических, конструктивных показателей и массогабаритных характеристик. Опыт разработки магнетронов показывает, что при N8 выражение (1) дает заниженное, а в случае N20 - завышенные значения для параметра =r C /r A , что приводит к погрешности в математическом расчете конструктивных характеристик магнетрона по формуле (1) и требует оптимизации энергетических, конструктивных показателей и массогабаритных характеристик магнетрона.
К недостаткам известного аналога относится и то, что улучшение энергетических показателей (КПД, выходной мощности) вызывает ухудшение качественных показателей (массогабаритных характеристик), а также усложнение конструкции магнитной системы.
Эти недостатки устранены в другом, выбранном в качестве прототипа, известном техническом решении магнетрона, у которого наряду с общими с аналогом признаками использован катод с оптимальным размером радиуса, установленным в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия, выполненным с возможностью обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия подбором соответствующего рабочего напряжения U A и магнитной индукции B магнитной системы. [Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА». 2011. 220 с. С.192-195].
При этом электронный КПД находится по формуле
где W - потенциальная энергия электрона, W=|e|U A ;
- кинетическая энергия в среднем «отработавшего» электрона;
Постоянная Планка;
e - элементарный электрический заряд;
U A - рабочее напряжение магнетрона;
B - магнитная индукция магнитной системы;
r A и r C - радиусы анода и катода;
m - масса элементарного заряда;
Относительная нестабильность частоты;
f n - минимальный интервал между гармоническими составляющими излучения электрона, соответствующими флуктуациям его скорости, f n =1 Гц;
N - четное число резонаторов.
Исследование зависимости (2) показывает, что при радиусе анода r A =const электронный КПД магнетрона имеет наибольшее значение при некотором оптимальном размере радиуса катода.
Таким образом с помощью формулы (2) в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия установлены катоды с оптимальными размерами радиусов r Copt (табл.2), что открывает возможности оптимизации энергетических, конструктивных показателей и массогабаритных характеристик магнетронов.
Оптимальные размеры радиуса катода увеличиваются с ростом размеров радиуса анодного отверстия. Но, начиная с некоторых значений радиуса анода r A , оптимальные значения размеров радиуса катода начинают уменьшаться. С целью получения высокой выходной мощности магнетрона следует выбирать максимальные значения радиусов анода и катода и подбирать соответствующий режим работы по рабочему напряжению U A (2) и величине магнитной индукции B магнитной системы для достижения максимального значения электронного коэффициента полезного действия.
Оптимизация радиусов катода прекращается при некоторых максимальных значениях радиусов анода: для магнетронов с числом резонаторов N=14 радиус r Amax =11 мм, в случае N=16 радиус r Amax =13 мм и т.д.
С увеличением радиусов анода оптимальные значения размеров радиусов катода сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Очевидно, что катоды большего диаметра способны выдержать и большую мощность.
| Таблица 2 | ||||||||
| Конструктивные характеристики магнетронов с катодами с оптимальными размерами радиусов | ||||||||
| r A , r Copt , мм | N=12 | |||||||
| r A | 1 | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| r Copt | 0,33 | 0,5 | 0,66 | 0,82 | 0,96 | 1,2 | 1,3 | 1,2 |
| r A | 7 | 8 | 9 | 10 | ||||
| r Copt | 1,0 | 0,7 | 0,3 | - | ||||
| N=14 | ||||||||
| r A | 1 | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| r Copt | 0,33 | 0,5 | 0,66 | 0,82 | 0,98 | 1,2 | 1,4 | 1,5 |
| r A | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | |||
| r Copt | 1,4 | 1,2 | 0,9 | 0,6 | - | |||
| N=16 | ||||||||
| r A | 1 | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| r Copt | 0,33 | 0,5 | 0,66 | 0,83 | 0,99 | 1,3 | 1,4 | 1,7 |
| r A | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | |
| r Copt | 1,7 | 1,6 | 1,4 | 1,2 | 0,8 | 0,4 | - | |
| N=18 | ||||||||
| r A | 1 | 1,5 | 2 | 2,5 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| r Copt | 0,3 3 | 0,5 | 0,67 | 0,83 | 0,99 | 1,3 | 1,6 | 1,8 |
| r A | 7 | 8 | 9 | 10 | 13 | 14 | 15 | |
| r Copt | 1,9 | 1,9 | 1,8 | 1,7 | 0,6 | 0,2 | - | |
| Продолжение таблицы 2 | ||||||||
| r A , r Copt , мм | N=28 | |||||||
| r A | 2,5 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| r Copt | 0,83 | 1 | 1,3 | 1,6 | 1,9 | 2,2 | 2,5 | 2,7 |
| r A | 10 | 20 | 21 | |||||
| r Copt | 2,9 | 1,1 | 0,7 | |||||
| N=30 | ||||||||
| r A | 2,5 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| r Copt | 0,83 | 1 | 1,3 | 1,7 | 2 | 2,3 | 2,5 | 2,8 |
| r A | 20 | 22 | 23 | |||||
| r Copt | 1,8 | 0,9 | 0,5 | |||||
| N=32 | ||||||||
| r A | 2,5 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| r Copt | 0,83 | 1 | 1,3 | 1,7 | 2 | 2,3 | 2,6 | 2,8 |
| r A | 10 | 20 | 22 | 23 | 24 | |||
| r Copt | 3 | 2,3 | 1,6 | 1,2 | 0,8 | |||
| N=34 | ||||||||
| r A | 2,5 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| r Copt | 0,83 | 1 | 1,3 | 1,7 | 2 | 2,3 | 2,6 | 2,9 |
| r A | 10 | 20 | 23 | 24 | 25 | |||
| r Copt | 3,1 | 2,9 | 1,9 | 1,5 | 1 | |||
| N=36 | ||||||||
| r A | 2,5 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| r Copt | 0,83 | 1 | 1,3 | 1,7 | 2 | 2,3 | 2,6 | 2,9 |
| r A | 10 | 20 | 23 | 24 | 25 | 26 | ||
| r Copt | 3,1 | 3,3 | 2,5 | 2,1 | 1,7 | 1,3 | ||
Расчет электронного КПД с помощью формулы (2) позволил установить основные конструктивные характеристики магнетронов табл.2, при которых электронный КПД имеет наибольшее значение. Полученные результаты соответствуют основным закономерностям теории и практики разработки магнетронов [Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА». 2011. 220 с. С.198-199].
Недостатками магнетрона с катодом с оптимальным размером радиуса являются ограниченные размеры радиуса анода, а также небольшие радиусы катода, размеры которых не превышают нескольких миллиметров (табл.2), что в целом ведет к уменьшению выходной мощности. Указанные ограничения открывают возможность соединения в единой конструкции нескольких идентичных магнетронов с установленными оптимальными размерами радиусов катодов, что позволяет в разы увеличить выходную мощность. В предлагаемой конструкции отдельные идентичные магнетроны условно можно назвать идентичными секциями, количество которых в общем случае равно k2.
Технической задачей заявленной полезной модели является разработка нового многосекционного магнетрона, конструктивные и функциональные особенности которого позволяют повысить КПД и выходную мощность в широком диапазоне длин волн.
Реализация указанной технической задачи заявленной полезной моделью обеспечивает следующий технический результат, являющийся суммой полученных технических эффектов:
Катод имеет установленный в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия по формуле (2) на странице 3 оптимальный размер радиуса r Copt на страницах 5, 6, 8, 9, 12, 16 табл.2 на страницах 5, 6, соответствующий выбранному на основании эмпирически установленного ориентировочного соотношения 2r A 0,3 на страницах 10, 12, 16 радиусу анода и выбранному из табл.1 четному числу N резонаторов на основании опытных данных в зависимости от длины волны в свободном пространстве, для обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия каждой секции подбором соответствующего рабочего напряжения U A и магнитной индукции B магнитной системы многосекционного магнетрона и повышает на 2030% электронный КПД каждой секции. Соотношение 2r A 0,3 общеизвестно из уровня техники [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.2. Электровакуумные приборы СВЧ. - М.: Изд. «Высшая школа». 1972. 375 с. С.297-298];
Применение внешнего объемного резонатора-сумматора мощности для суммирования мощности идентичных секций повышает стабильность рабочей частоты каждой секции и поэтому электронный КПД и выходная мощность многосекционного магнетрона растет с повышением стабильности рабочей частоты;
Внешний объемный резонатор-сумматор мощности включает продольные щели, прорезанные по средней линии его широкой стенки, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны, что обеспечивает синфазную и устойчивую работу секций, что также способствует повышению КПД и выходной мощности;
Использование в полезной модели двух или более идентичных секций, представляющих собой, по сути, два или более идентичных магнетрона каждый с катодом, имеющим установленный оптимальный размер радиуса r Copt табл.2, без магнитных систем, позволяет практически удвоить, утроить и так далее (то есть увеличить в k2 раз), выходную мощность путем суммирования мощности каждой секции во внешнем резонаторе-сумматоре мощности;
Сложение мощностей двух или более секций является актуальной задачей, так как приводит к снижению стоимости СВЧ генераторов;
Магнитная система выполнена общей, с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для всех секций, что позволяет улучшить качественные массогабаритные характеристики магнетрона;
Каждая электрическая связь между секциями образована соответствующими, как минимум четырьмя, металлическими пазовыми соединениями, что создает воздушный промежуток между секциями и приводит к более эффективному воздушному охлаждению анодных блоков.
Для достижения указанного технического результата предложен «Многосекционный магнетрон», содержащий магнитную систему, внешний объемный резонатор-сумматор мощности, а его каждая секция включает анод, катод с оптимальным размером радиуса, пространство взаимодействия, резонаторную систему, торцовые полости, крышки торцовых полостей, устройство вывода энергии.
Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что многосекционный магнетрон содержит k2 идентичных секций, расположенных на одной центральной продольной оси и соединенные последовательной электрической связью. Внешний объемный резонатор-сумматор мощности включает продольные щели, прорезанные по средней линии его широкой стенки, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны. Магнитная система выполнена общей, с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для всех секций.
Дополнительными отличиями является то, что каждая электрическая связь между секциями образована соответствующими, как минимум четырьмя, металлическими пазовыми соединениями, а внешний объемный резонатор-сумматор мощности выполнен в форме отрезка прямоугольного волновода.
Другими дополнительными отличиями является то, что каждая секция многосекционного магнетрона имеет катод с оптимальным размером радиуса r Copt табл.2, установленным в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия. Катод с оптимальным размером радиуса выполнен с возможностью обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия каждой секции многосекционного магнетрона путем подбора соответствующего рабочего напряжения U A и магнитной индукции B магнитной системы. Анод имеет радиус анодного отверстия, выбранный на основании эмпирически установленного ориентировочного соотношения между диаметром анода и длиной волны в свободном пространстве 2r A 0,3 , а резонаторная система содержит четное число N резонаторов, выбранное из табл.1 на основании опытных данных в зависимости от длины волны в свободном пространстве.
Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для получения практически увеличенной в k2 раз выходной мощности путем суммирования мощности каждой секции во внешнем резонаторе-сумматоре мощности, значительного повышения электронного и в целом полного КПД магнетрона.
Именно наличие в заявленной полезной модели общих отличительных и дополнительных отличительных признаков позволяет не только повысить основные энергетические параметры такие, как выходная мощность и КПД, но и значительно улучшить качественные массогабаритные характеристики магнетрона, снизить стоимость устройства.
Сущность полезной модели для случая двух секций поясняется чертежами:
Фиг.1 - Многосекционный магнетрон, общий вид, вид спереди;
Фиг.2 - Многосекционный магнетрон, общий вид, разрез А-А;
Фиг.3 - Многосекционный магнетрон, внешний объемный резонатор-сумматор мощности, общий вид;
Фиг.4 - Многосекционный магнетрон, структурная схема. На фиг.1 представлен Многосекционный магнетрон, общий вид, вид спереди:
1. Первая секция магнетрона (H - длина секции);
1.1. Анод (d A - диаметр анода, h - длина анода с резонаторами);
1.2. Катод (d Copt - оптимальный размер диаметра катода);
1.5. Торцовая полость (h - длина торцовой полости);
1.6. Крышка торцовой полости;
2. Вторая секция магнетрона (H - длина секции);
2.1. Анод (d A - диаметр анода, h - длина анода с резонаторами);
2.2. Катод (d Copt - оптимальный размер диаметра катода);
2.3. Пространство взаимодействия;
2.4. Резонаторная система (N - четное число резонаторов в PC);
2.5. Торцовая полость (h - длина торцовой полости);
2.6. Крышка торцовой полости;
2.7. Устройства вывода энергии;
3. Магнитная система;
5. Металлическое пазовое соединение секций (h - длина пазового соединения).
Две секции 1, 2 фиг.1 многосекционного магнетрона идентичны и расположены на одной центральной продольной оси и электрически связаны между собой. Причем каждая электрическая связь образована соответствующими, как минимум четырьмя, металлическими пазовыми соединениями 5 фиг.1. Воздушный промежуток между секциями в области пазовых соединений предоставляет возможность более эффективного воздушного охлаждения внешней поверхности анодов 1.1, 2.1 фиг.1.
Магнитная система 3 фиг.1 выполнена общей, с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для обеих секций 1, 2 фиг.1.
Внешний объемный резонатор-сумматор мощности 4 фиг.1 включает продольные щели 4.1, 4.2 фиг.3, прорезанные по средней линии его широкой стенки, с реактивными вибраторами 4.3 фиг.3, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны.
В каждой секции 1, 2 фиг.1 многосекционного магнетрона применяется анод 1.1, 2.1 фиг.1 с катодом 1.2, 2.2, отличающиеся оптимальным соотношением радиусов (диаметров) анода (анодного отверстия) и катода =r Copt /r A =d Copt /d A . При этом диаметр анода выбирается на основании эмпирически установленного ориентировочного соотношения между диаметром анода и длиной волны в свободном пространстве d A 0,3 , где - длина волны в свободном пространстве, а длина анода h0,3 .
В пространстве взаимодействия 1.3, 2.3 фиг.1 с подачей рабочего напряжения действуют скрещенные (взаимно перпендикулярные) постоянное электрическое поле и постоянное магнитное поле магнитной системы 3 фиг.1.
Число резонаторов резонаторных систем 1.4, 2.4 фиг.1 четное и выбирается на основании табл.1.
Торцовые полости 1.5, 2.5 фиг.1 из соображений электрической прочности магнетрона имеют длину h"=2(r A -r Copt) и закрываются крышками 1.6, 2.6 фиг.1. Ho так как катоды имеют радиусы, не превышающие 3,7 мм (табл.2), целесообразно выбирать длину h"1,5(r A -r Copt).
Вывод электромагнитной энергии из каждой секции 1, 2 фиг.1 осуществляется посредством устройств вывода энергии 1.7, 2.7 фиг.1, представляющих собой щель в одном из резонаторов резонаторных систем (PC) 1.4, 2.4 фиг.1.
На фиг.2 представлен Многосекционный магнетрон, общий вид, разрез А-А:
1. Первая секция;
1.2. Катод;
1.3. Пространство взаимодействия;
1.4. Резонаторная система (N - четное число резонаторов в PC);
1.7. Устройства вывода энергии;
4. Внешний объемный резонатор-сумматор мощности;
4.1. Продольную щель;
4.3. Реактивные вибраторы.
Выходная мощность из секции 1 фиг.2 через щель 1.7 фиг.2 в одном из резонаторов PC 1.4 фиг.2 подводится к внешнему объемному резонатору-сумматору мощности 4 фиг.2 через продольную щель 4.1 фиг.2 в середине широкой стенки отрезка прямоугольного волновода. Рядом с серединой продольной щели 4.1 фиг.2 расположен реактивный вибратор 4.3 фиг.2. На фиг.2 для примера показано только четыре резонатора в PC 1.4. Реальное количество резонаторов может быть четным до 40 и более.
На фиг.3 представлен Многосекционный магнетрон, внешний объемный резонатор-сумматор мощности, общий вид:
4. Внешний объемный резонатор-сумматор мощности;
4.1. Продольная щель;
4.2. Продольная щель;
4.3. Реактивные вибраторы;
Внешний объемный резонатор-сумматор мощности 4 фиг.1, 2, 3 выполнен в форме отрезка прямоугольного волновода. В конструкции внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.3 имеются продольные щели в середине широкой стенки отрезка прямоугольного волновода 4.1, 4.2 фиг.3 длиной /2, где - длина волны в свободном пространстве. Расстояние между центрами щелей 4.1, 4.2 фиг.3 соответствует L=|2, где - длина волны в волноводе, определяет расстояние по оси между секциями 1, 2 фиг.1 h=L-H. Для возбуждения щелей используются реактивные вибраторы 4.3 фиг.3, помещенные рядом с серединами щелей по разные их стороны. Длина внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.3 равна n|2, где n=1, 2, 3 . В качестве устройства вывода энергии 4.4 фиг.3 из внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.3 в волноводный тракт может быть использован четвертьволновый трансформатор.
На фиг.4 представлен Многосекционный магнетрон, структурная схема:
1. Первая секция;
1.7. Устройство вывода энергии;
2. Вторая секция;
2.7. Устройство вывода энергии;
4. Внешний объемный резонатор-сумматор мощности;
4.1. Продольная щель;
4.2. Продольная щель;
4.3. Реактивные вибраторы;
4.4. Устройство вывода энергии.
Секции 1, 2 фиг.4 параллельно запитаны рабочим напряжением U A от общего источника питания - импульсного модулятора. Устройства вывода генерируемой электромагнитной энергии 1.7, 2.7 фиг.4 подключены к продольным щелям 4.1, 4.2 фиг.4 внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.4. Реактивные вибраторы 4.3 фиг.4, помещены рядом с серединами щелей и установлены по разные их стороны. Выход внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.4 связан с волноводным трактом через устройство вывода энергии 4.4 фиг.4.
Устройство работает следующим образом
Многосекционный магнетрон предназначен для генерации мощных СВЧ колебаний в составе передающего устройства радиолокационной станции. При включении передающего устройства аноды 1.1, 2.1 и катоды 1.2, 2.2 фиг.1, 2 секций 1, 2 фиг.1, 2, 4 параллельно запитаны рабочим напряжением U A от общего источника питания - импульсного модулятора. При рабочей температуре катодной поверхности эмитирующий слой катодов 1.2, 2.2 фиг.1, 2 испускает электроны в пространство взаимодействия 1.3, 2.3 фиг.1, 2. В результате в пространстве взаимодействия 1.3, 2.3 фиг.1, 2 формируются электронные облака, которые под действием силы Лоренца, вызванной воздействием на электроны взаимно перпендикулярных постоянных электрических (связанных с рабочим напряжением U A фиг.4) и магнитных (связанных с магнитной системой 3 фиг.1) полей, начинают вращаться вокруг катодов 1.2, 2.2 фиг.1, 2. Электроны вращающегося электронного облака согласно закону электромагнитной индукции Фарадея наводят в каждом из анодов 1.1, 2.1 фиг.1, 2 высокочастотные токи и соответствующие им высокочастотные поля. Электроны вращающегося облака вступают во взаимодействие с тангенциальной и радиальной составляющими наведенного ими высокочастотного поля. Роль тангенциальной составляющей поля заключается в модуляции электронов по скорости и, как следствие, в образовании из вращающегося электронного облака «спицеобразного» электронного потока (модуляция по плотности). Роль радиальной составляющей поля заключается в фазовой фокусировке (группировке) электронов в «спицах». При обеспечении условия синхронизма, когда поступательная скорость электронов в «спицах» чуть больше или примерно равна фазовой скорости возбужденных в резонаторной системе высокочастотных колебаний, «спицы» находятся в области тормозящего тангенциального поля. Электроны в «спицах» движутся по циклоидальным или близким к ним петлеобразным траекториям от катода 1.2, 2.2 к аноду 1.1, 2.1 фиг.1, 2, отдавая свою потенциальную энергию тормозящему тангенциальному полю. В результате наведенное СВЧ поле усиливается и через устройства вывода энергии 1.7, 2.7 фиг.1, 2, 4 поступает во внешний объемный резонатор-сумматор мощности 4 фиг.1, 2, 3, 4 через продольные щели 4.1, 4.2 фиг.2, 3, 4.
Электроны, будучи элементарными электрическими зарядами, рассматриваются в магнетроне как классические объекты. Однако с ростом рабочей частоты возрастают не учитываемые классической теорией энергетические потери, ввиду чего электронный, а, следовательно, и полный КПД магнетронов резко падает. В прототипе и в заявленной полезной модели учтен волновой характер электронов и соответствующая неопределенность в их координатах (импульсах), что позволило выявить механизм энергетических потерь с ростом рабочей частоты, учтенный в формуле (2), и оптимизировать конструктивные характеристики магнетронов. Расчет электронного КПД по формуле (2) на странице 3 показал, что катод имеет установленный оптимальный размер радиуса r Copt табл.2 на странице 5, 6, соответствующий радиусу анодного отверстия, выбранному на основании эмпирически установленного ориентировочного соотношения между диаметром анода и длиной волны в свободном пространстве 2r A 0,3 , а также четному числу N резонаторов, выбранному из табл.1 на основании опытных данных в зависимости от длины волны в свободном пространстве. Катод с оптимальным размером радиуса выполнен с возможностью обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия каждой секции многосекционного магнетрона путем подбора соответствующего рабочего напряжения U A и магнитной индукции В магнитной системы.
Установлено также, что энергетические потери пропорциональны квадрату относительной нестабильности частоты и уменьшаются с увеличением добротности резонаторных систем, как описано в прототипе [Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА». 2011. 220 с. С.186, 192]. Эти подходы и реализованы в конструкции каждой секции многосекционного магнетрона.
Во внешний объемный резонатор-сумматор мощности 4 фиг.1, 2, 3, 4 электромагнитная энергия из устройств вывода энергии 1.7, 2.7 фиг.1, 2, 4 поступает через продольные щели в середине широкой стенки отрезка прямоугольного волновода 4.1, 4.2 фиг.2, 3, 4. Поскольку щели прорезаны по средней линии широкой стенки волновода, то они возбуждаться не будут. Для возбуждения щелей используются реактивные вибраторы 4.3 фиг.2, 3, 4, помещенные рядом с серединами щелей. Реактивные вибраторы 4.3 фиг.2, 3, 4, установленные по разные стороны щелей 4.1 и 4.2 фиг.2, 3, 4, меняют фазу возбуждения на 180°. С учетом расстояния между серединами щелей 4.1 и 4.2 фиг.2, 3, 4, равного половине длины волны в волноводе, обеспечивается синфазная и устойчивая работа секций 1, 2 фиг.1, 2, 4, что также способствует повышению КПД и выходной мощности.
Заявленная полезная модель «Многосекционный магнетрон» является новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленной полезной модели, устройством для генерации СВЧ колебаний большой мощности в широком диапазоне длин волн. Заявленное устройство обладает следующими достоинствами:
Использование в полезной модели двух или более идентичных секций позволяет практически увеличить в k2 раз выходную мощность путем суммирования мощности каждой секции во внешнем резонаторе-сумматоре мощности;
Реализация катодов с оптимальными размерами радиусов табл.2, установленными в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия по формуле (2), повышает на 2030% электронный КПД каждой секции;
Использование в полезной модели внешнего объемного резонатора-сумматора мощности повышает стабильность рабочей частоты и соответственно электронный КПД и выходную мощность многосекционного магнетрона;
1. Многосекционный магнетрон, содержащий магнитную систему, внешний объемный резонатор-сумматор мощности, а его каждая секция включает анод, катод с оптимальным размером радиуса, пространство взаимодействия, резонаторную систему, торцовые полости, крышки торцовых полостей, устройство вывода энергии, отличающийся тем, что многосекционный магнетрон содержит k>2 идентичных секций, расположенных на одной центральной продольной оси и соединенные последовательной электрической связью, а внешний объемный резонатор-сумматор мощности включает продольные щели, прорезанные по средней линии его широкой стенки, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей и по разные их стороны, кроме того, магнитная система выполнена общей, с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для всех секций.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая электрическая связь образована соответствующими, как минимум четырьмя, металлическими пазовыми соединениями.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешний объемный резонатор-сумматор мощности выполнен в форме отрезка прямоугольного волновода.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая секция многосекционного магнетрона имеет катод с оптимальным размером радиуса, установленным в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что катод с оптимальным размером радиуса выполнен с возможностью обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия каждой секции многосекционного магнетрона путем подбора соответствующего рабочего напряжения U A и магнитной индукции B магнитной системы.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что резонаторная система содержит четное число N резонаторов, выбранное на основании опытных данных в зависимости от длины волны в свободном пространстве.