Конструирования магнетронов

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.

Механическая перестройка (настройка) частоты основывается на изменении резонансной частоты p-вида колебаний анодного блока. Существование нескольких близко расположенных по частоте видов колебаний осложняет механическую настройку магнетронов. Важными условиями при любом способе перестройки являются сохранение достаточного разделения видов и приблизительное постоянство собственной и нагруженной добротностей анодного блока в пределах рабочего диапазона частот. Всякие паразитные резонансы, кроме основного резонанса p-вида, являются недопустимыми.

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 Н₀₁₁, 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 Н₀₁₁. 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 Н₀₁₁.

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 F₃ может быть при этом значительно снижена за счет уменьшения связи с нагрузкой и повышения внешней добротности Q₀ 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/см², то в 3-см диапазоне требуемая плотность тока доходит примерно до 30 а/см². 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.

Рисунок 1.15 - Устройство магнетрона, настраиваемого напряжением: 1 — накаленный катод; 2 — отрицательный электрод; 3—конический управляющий электрод; 4— анодные ламели (система встречных штырей); 5—керамика; 6 — анодные кольца для включения внешней части резонатора; 7 — наружный резонатор

Таким образом, митроны могут успешно конкурировать с лампами обратной волны типа О. Дополнительным преимуществом магнетронов, настраиваемых напряжением, является высокий к. п. д.

Вывод На основе анализа рассмотренных магнетронов можно в приемопередатчиках необходимо использовать импульсные магнетроны.

Похожие работы

Передатчик импульсный СВЧ диапазона

Скачать

14694

4

9

... 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 ...

Выбор и обоснование тактико-технических характеристик РЛС. Разработка структурной схемы

Скачать

45419

3

0

... 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 ...

Научные проблемы создания высокоточного оружия флота

Скачать

75759

0

0

... 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 ...

Радиолокационная Головка Самонаведения

Скачать

37104

0

12

... 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 ...