Приборы магнетронного типа

Приборы магнетронного типа (типа М) могут быть как генераторами, так и усилителями. Отметим свойства наиболее распространенных из них.

Митроны. Магнетроны, перестраиваемые напряжением (митроны), это широкополосные генераторы магнетронного типа.

Электрическая перестройка частоты в широких пределах в митроне осуществляется в основном либо путем ограничения эмиссионного тока катода (или тока анода), либо применением внешней колебательной системы малой добротности. В качестве колебательной системы в митроне используется встречно-штыревая структура 3 (рис. 14.10), свернутая в кольцо и связанная с внешней системой, имеющей низкую добротность (1,5…10). В магнетронах добротность, как правило, равна нескольким сотням и более.

Ограничение тока и управление им в митронах осуществляется, в частности, за счет того, что эмитирующий катод 1 вынесен за пределы пространства взаимодействия, т. е. электроны поступают в это про;

Рис. 14.10.

странство извне. Для формирования необходимой структуры СВЧ-поля в центр прибора помещается холодный (не эмитирующий) катод 2. Между горячим катодом и анодной структурой располагается управляющий электрод 4. Так же как и в магнетроне, поперечное по отношению к электрическому магнитное поле формируется с помощью постоянного магнита 5.

Различают два основных типа митронов:

• 1) широкополосные митроны, характеризуемые отношением максимальной генерируемой частоты к минимальной, равным 2: 1 или 3:1, при уровне выходной мощности до 1,5…3 Вт;
• 2) узкополосные митроны с перестройкой по частоте в пределах 5…20% при уровне выходной мощности от 3 до 150 Вт.

Митроны работают на частотах вплоть до 1 мм (300 ГГц).

При возрастании анодного напряжения 1/_п изменяется на пряженность радиального электрического поля в пространстве взаимодействия и, следовательно, скорость вращения спиц, поскольку 1>_цк = -—-—-д. Частота, с которой спицы будут проходить среднюю линию каждого резонатора, равна / — 0_цк/О (И — расстояние между соседними резонаторами, или период структуры). Если N — число элементарных резонаторов, то / =.

U_aN

= о в/ 2 гТБ «^т* ^е* ^{частота} генерации является линейной функцией t/_a, что подтверждается экспериментально. Зависимость выходной мощности от частоты Р_вых = F (f) подобна резонансной кривой анодной системы при ее низкой добротности. Это значит, что мощность на выходе пропорциональна импедансу, на который нагружен электронный поток. Зависимость /_а = F,(/) аналогична зависимости Р = F (f) мощности от частоты при В = const.

Лампа бегущей волны типа М (ЛБВМ). ЛБВМ используются как эффективные усилители мощных СВЧ-колебаний. Достоинствами этих магнетронных усилителей являются высокий КПД (до 70%), относительно низкие рабочие напряжения, например, при Р_вых = 100 кВт анодное напряжение составляет 1/_а = 10…12 кв, а при Р_вых = 1 МВт (/_а = 25…40 кВ. Импульсные ЛБВМ имеют Р_вых до 10 МВт при = 100 кВ с полосой пропускания Д/ ~ 17%.

Рис. 14.11.

Обычно ЛБВМ имеют цилиндрическую конструкцию, реже — линейную. Физические процессы удобнее рассматривать с помощью линейной ЛБВМ, устройство которой представлено на рис. 14.11, где 1 — электронная пушка (ЭП); 2 — замедляющая система (ЗС); 3 — холодный катод (ХК); 4 — коллектор; и_о — напряжение на последнем ускоряющем электроде ЭП; (У_хк — напряжение на ХК; С7_ас — напряжение на коллекторе и ЗС.

ЭП формирует электронный поток с заданными параметрами. ЗС и ХК образуют пространство взаимодействия, где электроны взаимодействуют с СВЧ-полем ЗС в скрещенных постоянных электрическом Г₀ и магнитном В₀ полях. Электронный поток вводится в пространство взаимодействия таким образом, чтобы электрическая составляющая силы = —е?₀, действующая на электроны в направлении ЗС, была уравновешена магнитной составляющей = -е[6 х В₀]. В результате в отсутствие СВЧ-полей траектория электронов будет прямолинейной, т. е. циклоида вырождается в прямую линию. Скорость электронного потока в пространстве взаимодействия в этом случае будет и_е = ?₀/В₀. В каждый момент времени все пространство взаимодействия, как и в магнетроне, можно разбить на ряд участков, где соседние участки имеют продольные составляющие СВЧ-поля, направленные противоположно. В результате на одних участках электроны будут замедляться, и электрическая составляющая силы Р_е будет преобладать над магнитной. Электроны на этих участках будут подниматься в направлении ЗС, на других, наоборот, электроны ускоряются, тогда преобладает сила F_м. Электроны при этом двигаются в сторону холодного катода. Если = и_е, то одни электроны будут подниматься, приближаясь к ЗС, а другие падать на катод, т. е. процессы взаимодействия здесь во многом аналогичны.

Рис. 14.12.

Рис. 14.13.

процессам, протекающим в магнетроне. В электронном потоке образуются уплотнения (сгустки) и разрежения. В ЛБВМ потенциальная энергия преобразуется в энергию СВЧ-поля, и по мере приближения к ЗС потенциальная энергия электронов уменьшается, а энергия СВЧ-поля увеличивается. Поперечная составляющая СВЧ-поля, нормальная к поверхности ХК (иначе — отрицательного электрода), играет такую же роль, что и в магнетроне, т. е. она способствует лучшей группировке внутри сгустка.

Примеры основных характеристик ЛБВМ приведены на рис. 14.12 и 14.13. На рис. 14.12 изображена амплитудная характеристика. С увеличением входной мощности выходная Р_ВЬ1Х возрастет из-за того, что напряженность СВЧ-поля становится больше и электроны более интенсивно поднимаются к ЗС, отдавая все более значительную часть своей энергии. На пологом участке электроны при Р_вх > Р_вх1 начинают достигать ЗС, передав всю свою энергию СВЧ-полю. Незначительное увеличение Р_ВЫх ^в эт°й части кривой вызвано тем, что по мере роста Р_вх все большее число электронов достигают ЗС.

Зависимости коэффициента усиления К от напряжения холодного катода 11_хк и частоты / (см. рис. 14.13) подобны соответственно характеристике взаимодействия и частотной характеристике ЛБВО.

Лампа обратной волны типа М (ЛОВМ). Наряду с ЛБВМ в СВЧ-технике достаточно широко применяются приборы, работающие на обратной пространственной гармонике — различные виды ЛОВМ, которые могут использоваться в качестве как усилителей, так и генераторов. Устройство генераторов на ЛОВМ (рис. 14.14) сходно с устройством маг;

Рис. 14.14.

нетронного усилителя типа ЛБВМ. Замедляющая система (ЗС) 4 обычно свернута в незамкнутое кольцо. Выходная мощность отводится в нагрузку по СВЧ-тракту 7, подключаемому вблизи катода 2, у ЛБВМ в этом месте находится вход прибора. У коллекторного конца ЗС ЛОВМ монтируется поглотитель 6, который поглощает электромагнитную волну, отраженную от выходной СВЧ-линии и катодного конца системы. В ЛБВМ у коллекторного конца располагается выход прибора. Пространство взаимодействия в ЛОВМ, как и в ЛБВМ, формируется холодным катодом 3 и ЗС 4. На рис. 14.14 показаны также анод электронной пушки 2 и коллектор 5; ЗС конструируется таким образом, чтобы в ней преобладающую роль играла первая обратная гармоника, вектор фазовой скорости *З_{ф (}_₁₎ которой совпадает с направлением движения электронов. Групповая скорость СВЧ-волны (скорость переноса энергии на.рис. 14.14) направлена навстречу движению потока.

Под воздействием флуктуаций плотности электронного потока в ЗС возникают слабые электромагнитные колебания. Дальнейший механизм взаимодействия электронного потока с СВЧполем — формирование сгустков, отбор рабочих электронов, передача энергии полю волны — подобен механизму взаимодействия в ЛБВМ, за исключением того, что взаимодействие осуществляется не с прямой волной, а с обратной гармоникой. Однако фазовая скорость этой волны, как и в ЛБВМ, направлена в ту же сторону, что и направление движения электронного потока.

Одним из достоинств генератора на ЛОВМ является возможность (за счет изменения напряжения источников питания) электронного смещения частоты генерируемых колебаний в пределах нескольких процентов. Генераторы на ЛОВМ являются достаточно мощными приборами, у которых мощность в непрерывном режиме достигает нескольких кВт, КПД — 30%. Они работают вплоть до миллиметрового диапазона. ЛОВМ может работать как усилитель, в котором вход располагается около коллектора. Коэффициент усиления таких приборов 20…30 ДБ.

Ампилитроны. Это разновидность усилительных ЛОВМ, устройство которых сходно с устройством магнетронов. Отметим некоторые отличительные особенности устройства ампилитрона (рис. 14.15, стрелками показаны направления движения СВЧ-энергии). Поскольку это усилительный прибор, то для устранения возбуждения на колебаниях видал, ампилитрон, в отличие от магнетрона, имеет нечетное число резонаторов. В магнетроне ЗС образована замкнутой цепочкой резонаторов, а в ампилитроне ЗС 2 разомкнута за счет разрыва системы связок 3. Магнитное поле 4 формируется постоянным магнитом. Входной сигнал Р_пх возбуждает через связки поле в резонаторах. Электроны, эмитированные катодом /, поступают в пространство взаимодействия и движутся по таким же траекториям, что и в магнетроне. Если скорость перемещения электронов равна фазовой скорости одной из пространственных гармоник СВЧ-поля, то в результате процессов группировки образуются спицы, в которых электроны передают свою потенциальную энергию СВЧ-полю. Амплитуда волны, бегущей вдоль связок, возрастает за счет потенциальной энергии электронов. В ампилитроне взаимодействие осуществляется с обратной гармоникой, так же, как и в ЛОВМ, т. е. ампилитрон объединяет в себе свойства магнетрона и ЛОВМ. Амнилитрон является очень мощным прибором, его мощность в непрерывном режиме достигает сотен кВт, а в импульсном — десятков и более МВт, усиление — до 20…30 дБ, рабочий диапазон частот — обычно единицы ГГц, КПД до 70…80%.