Разработка коаксиального магнетрона с безнакальным катодом

Размещено на http://www.allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНЕТРОНАХ

1.1 История создания магнетрона

1.2 Особенности конструкции магнетронов

1.3 Особенности коаксиальных магнетронов

1.3.1 Принцип работы коаксиального резонатора, связанного с колебательной системой анодного блока коаксиального магнетрона

1.3.2 Рабочие характеристики коаксиального магнетрона

1.4 Применение магнетронов

ГЛАВА 2. РАСЧЁТ ЧАСТОТЫ р-ВИДА СИСТЕМЫ

2.1 Постановка задачи

2.2 Обеспечение расстановки видов колебаний, необходимых для устойчивой работы магнетрона

2.2.1 Расчёт и построение зависимости рабочего вида и конкурирующих видов колебаний резонатора

2.2.2 Экспериментальное нахождение зависимости рабочего вида и конкурирующих видов колебаний резонатора

2.2.3 Расчёт частоты р-вида системы

2.2.4 Экспериментальное определение частоты р-вида системы

ГЛАВА 3. РАСЧЁТ ПРОСТРАНСТВА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МАГНЕТРОНА И ПАРАМЕТРОВ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

3.1 Выбор числа резонаторов

3.2 Расчёт отношения диаметров катода и анода

3.3 Определение диаметров катода и анода

3.4 Расчёт рабочего напряжения анода

3.5 Определение значения рабочей магнитной индукции

3.6 Определение величины рабочего тока анода

3.7 Определение высоты анода

3.8 Определение толщины ламели и ширины щели АЗС на границе пространства взаимодействия

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ КОАКСИАЛЬНОГО МАГНЕТРОНА

4.1 Особенности обработки анодного блока

4.2 Основные этапы сборки прибора

4.3 Тепловой режим анодного блока магнетрона

4.4 Выводы

ГЛАВА 5. БЕЗОНАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

5.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

5.2 Классификация электрического оборудования по способу защиты от электрического тока

5.3 Электробезопасность

5.3.1 Сеть-TN-C

5.3.2 Сеть TN-S и Сеть TN-С-S

5.4 Защитное зануление

5.5 Устройство защитного отключения УЗО

5.6 Выбор типа УЗО

5.7 Расчёт защитного заземления

ГЛАВА 6. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Воздействие СВЧ излучения на человека

6.2 Инженерный метод расчёта защиты персонала от СВЧ излучения

ГЛАВА 7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

7.1 Расчёт себестоимости изделия

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ



АННОТАЦИЯ

В данной работе будет рассмотрено общее устройство, принцип работы, технология изготовления и основные этапы сборки прибора, имеющего огромное практическое значение в области возбуждения мощных колебаний сверхвысоких частот - коаксиального магнетрона. Приборы миллиметрового диапазона длин волн находят все большее применение в радиоаппаратуре. При этом при использовании магнетрона не предъявляется чрезмерно высоких требований к квалификации эксплуатационного персонала, к средствам обеспечения техники безопасности.

В работе приведены расчеты, необходимые для разработки магнетрона. Проведен расчёт пространства взаимодействия и параметров замедляющей системы. Проверка магнетрона на установках низкого уровня мощности и высокого уровня мощности показали, что выходные параметры полностью удовлетворяют поставленным требованиям и подтверждают хорошую работоспособность прибора. Также проведён анализ опасных и вредных факторов на производстве, влияния СВЧ излучения на человека, рассчитана себестоимость прибора. В приложении находятся чертежи основных узлов прибора (катод, анодный блок) и описание установки низкого уровня мощности.

магнетрон коаксиальный замедляющий



ВВЕДЕНИЕ

Для возбуждения мощных колебаний сверхвысоких частот большое практическое значение имеет коаксиальный магнетрон. Вторая половина 20-го столетия отмечена значительными успехами в области совершенствования конструкции и параметров магнетрона. Следует отметить 3 события, кардинальным образом повлиявших на перспективу использования магнетрона в современной технике. К таковым следует отнести появление коаксиального магнетрона (КМ), магнетрона с безнакальным автоэмиссионным запуском и магнетрона на пространственной гармонике не р-вида колебаний.

С появлением новых технологий и большого количества накопленных знаний появляются возможности модернизации старых приборов и создания на их основе новых, более совершенных, лёгких, компактных.

Использование безнакальных магнетронов позволяет создавать новую аппаратуру с высокими характеристиками:

- возможность мгновенного кратковременного выключения и переключения режимов работы аппаратуры, в том числе многократного изменения скважности в 100 и более раз;

- повышенная, за счет использования "холодного" катода, долговечность и надежность даже при повышенных нагрузках на катод;

- повышенная надежность за счет исключения отказов цепи накала магнетрона, накального трансформатора реле и переключателей;

- уменьшенная масса аппаратуры за счет исключения переключателей и облегчения источника питания;

- уменьшенная стоимость производства аппаратуры за счет снижения ее энергопотребления и упрощения эксплуатации и конструкции.

Безнакальные магнетроны успешно используются в навигационной аппаратуре морских и речных портов, в РЛС самолетов и вертолетов, в охранной аппаратуре, включая переносную, в метеорадарах. Расширение области использования в технике и быту и рост производства безнакальных магнетронов можно обеспечить несколькими путями. Первый - разработка более мощных магнетронов в освоенном диапазоне частот. Это вполне реальный путь, так как при увеличении выходной мощности растет напряжение анода магнетрона и, следовательно, улучшаются условия для автоэмиссии катода.

Ставится актуальная задача разработки коаксиального магнетрона с безнакальным катодом. Это изобретение может быть использовано зажигания топлива в двигателях автомобилей. При использовании СВЧ-энергии для зажигания топлива в камере сгорания двигателя расход топлива сократится в 1,5 раза, а выброс СО уменьшится примерно в 10 раз. Легко подсчитать, что в крупных городах только легковые автомобили дадут за первые 10 тыс. км пробега экономию примерно 500 л бензина или около 1000 долл. При массовом производстве стоимость безнакального магнетрона вместе с источником питания будет относительно невысока. Долговечность безнакального магнетрона 5-10 тыс. ч обеспечит пробег автомобиля 200-500 тыс. км без замены магнетрона.

Можно внести значительный вклад в решение экологических проблем городов, если перевести автомобильный транспорт на экономичные и экологически чистые двигатели, запускаемые СВЧ-энергией безнакальных магнетронов. При этом требуемые инвестиции в десятки раз меньше, чем необходимо для перевода автомобильного транспорта на электромобили и на строительство дополнительных электростанций близ крупных городов. Таким образом, безнакальные магнетроны, специально приспособленные для конкретных приложений, могут эффективно применяться в различных отраслях техники.



ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНЕТРОНАХ

1.1 История создания магнетрона

Магнетромн (от греч. мбгнЮфзт -- магнит и электрон) -- электровакуумный прибор для генерации радиоволн сверхвысокой частоты (СВЧ, микроволн), в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.

Принято считать, что класс ЭВП берет начало от изобретения Дж. А. Флемингом вакуумного диода (1904 г.), последующего появления управляемой трехэлектродной лампы Л. де Фореста (1906 г.) и использования триода для генерирования электрических колебаний (А. Мейснер 1913 г.). Это дало толчок к разработке и применению мощных генераторных ламп в радиопередатчиках для радиовещания и дальней радиосвязи. Наряду с этим в 1910 г. был предложен управляемый магнитным полем диод (К.Гадинг, Германия; патент №2765228/10), названный изобретателем "магнетрон", что не приобрело известности, и по общепринятой версии автором термина "магнетрон" считается американский физик А.Халл, впервые опубликовавший (1921 г.) результаты теоретических и экспериментальных исследований работы магнетрона в статическом и динамическом режимах. Эффект же генерирования магнетроном СВЧ-колебаний открыл в 1924 г. А.Жачек (Чехословакия). Это - циклотронные колебания (в эксперименте Жачека - на длине волны более 30 см). Практически в то же время американский физик Хаббан обнаружил колебания "типа отрицательного сопротивления" в магнитном диоде с разрезным 12-ти сегментным анодом.

В последующий период 1926 - 36 г.г. магнетрон развивался уже как генератор электромагнитных колебаний. Так в 1927 г. Слуцкий А.А. и Штериберг Д.С. в СССР впервые создали магнетроны в диапазонах 60 - 30 и 7,5 см. Основная тенденция этого периода, кстати, характерная и для сегодняшнего времени - увеличение мощности и продвижение в диапазон все более коротких волн. Однако вплоть до 1936 - 40 г.г. все попытки реализовывались в рамках использования магнитного диода с разрезным анодом и внешнего подключенного к аноду LC-коллебательного контура. Так, в 1929 г. А. Окабе (Япония) добился в 4-х сегментном магнитном диоде генерирования колебаний в диапазоне 3-5 см., а в 1932 г. E. Meгoy (Англия) получил колебания в диапазоне 40-60 см в диоде с 12-ти сегментным анодом. Параллельно с экспериментальными исследованиями предпринимались усилия в области теории магнетронов. Важной вехой в этой сфере стало введение концепции синхронизма при взаимодействии вращающегося электронного потока с полями бегущей волны (1934 г., К.Постумус, Голландия), а в сфере практического решения задач увеличения мощности и частоты надо считать появление в 1936-40 г.г. магнетронов с цельным медным анодом, в теле которого выполнены несколько полых СВЧ-резонаторов, что дало возможность исключить внешние LC-контуры.

В СССР первый образец такого многорезонаторного магнетрона был разработан инж. Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым в ходе цикла работ, проводимых в 1936-40 г.г. под руководством М. А. Бонч-Бруевича, собственные научные интересы которого относились отнюдь не к магнетро-нам а к ламповым генераторам. Публикация результатов была осуществлена только в 1940 г., но рекордный по тому времени уровень мощности (до 300Вт в непрерывном режиме) был получен на длине волны ~ 9 см., что стало хорошим подтверждением продуктивности идеи построения таких магнетронов.

В 30-е годы многие инженеры предлагали для Магнетрона 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 Магнетронов, в основном для радиолокации. 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 Магнетрон был создан ряд приборов для генерации и усиления колебаний СВЧ.

Распространение Магнетрона вызвано высоким кпд (до 80%), компактностью конструкции и стабильностью работы при сравнительно невысоких анодных напряжениях. В начале 70-х годов промышленно развитыми странами выпускаются Магнетроны 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. Магнетроны 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.

1.2 Особенности конструкции магнетронов

Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 140 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд.

Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %). Магнетроны бывают как неперестраиваемые, 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 последние 10-15 лет почти во всех классах приборов, являющихся источниками СВЧ-энергии, достигнуто существенное улучшение параметров и характеристик. Это способствует расширению традиционных и появления новых сфер применения энергии СВЧ электромагнитных волн, что, в свою очередь, выдвигает постоянно растущие требования к электрическим характеристикам, показаниям надежности, долговечности и экономичности и стимулирует как дальнейшее совершенствование существующих классов и типов СВЧ -приборов, так и разработку новых . Реальная конкуренция привела с одной стороны к, достаточно ясному и объективному пониманию ограничений, а, с другой стороны к более или менее определенному разграничению сфер предпочтительного использования тех или иных приборов.

Так за магнетронами остаются преимущества в тех областях, где требуется минимизация массогабаритных параметров прибора и радиоэлектронного средства (РЭС ) в целом, эксплуатация надежность и простота управления; низкие рабочие напряжения и уровни рабочих колебаний.

На сегодня магнетроны остаются самыми дешевыми источниками СВЧ-энергии среди ЭВП СВЧ (в расчете на 1 Вт мощности) и обладают самой высокой удельной мощностью.

За последние два десятилетия классические магнетроны были существенно усовершенствованы в направлении миниатюризации, повышения долговечности и надежности. Это касается как магнетронов непрерывного действия, применение которых для бытовых СВЧ печей, установок промышленного нагрева, для медицинской аппаратуры и др. неуклонно ширится, так и импульсных магнетронов.

Межтиповая же конкуренция среди магнетронов все же привела к заметному вытеснению классических импульсных магнетронов коаксиальными (КМ) и обращено коаксиальными (ОКМ).

Соответственно типовое представительство магнетронов существенно расширилось.

Появились магнетроны запускающиеся с “холодного“ катода, что обеспечивает минимальное время готовности. В целом интерес к магнетронам как в среде их разработчиков, так и в среде создателей современных РЭС, в связи с развитием и раскрытием еще не исчерпанных возможностей этих приборов, возродился и заметно возрастает.

Создание магнетронов, отвечающих современным нарастающим требованиям, встречают трудности и ограничения, появляющиеся при совокупности или автономном решении таких задач как :

- достижение повышенных уровней мощности, особенно по мере продвижения в коротковолновый участок сантиметрового диапазона и в миллиметровый диапазон длин волн.

- достижение повышенной стабильности частоты (в частности от импульса к импульсу)

- достижение широкого диапазона перестройки частоты;

- обеспечение повышенной скорости перестройки частоты и специфических законов её изменения от импульса к импульсу и внутри импульса.

- достижение повышенных длительностей импульса;

- достижение пониженных уровней побочных колебаний, в том числе гармоник, генерируемых магнетроном.

Типичные характеристики Магнетрона приведены на Рис.1.1 Магнетрон начинает работать, когда анодное напряжение достигает значения, соответствующего началу синхронизма. С увеличением напряжения условия синхронизма улучшаются; сила тока, выходная мощность и кпд Магнетрона увеличиваются. При оптимальных условиях синхронизма кпд Магнетрона достигает максимума. Дальнейшее повышение анодного напряжения постепенно ухудшает синхронизм и сопровождается снижением кпд, несмотря на увеличение силы тока и выходной мощности.

Рис. 1.1 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. 1.2. Рабочие характеристики магнетронов.

В практике эксплуатации магнетронов широко пользуются графическими рабочими характеристиками, позволяющими в зависимости от конкретных условий установить требуемые значения мощности и КПД. По вертикальной координатной оси отложены значения анодного напряжения, по горизонтальной оси -- значения анодного тока.

Для выражения взаимной зависимости нескольких параметров магнетрона на рабочие характеристики наносят ряд кривых, вдоль которых одна из представляемых величин остается неизменной. Эти кривые называются соответственно линиями постоянной мощности, КПД и магнитной индукции. На рис. 1.2. линии постоянной индукции сплошные, линии постоянного КПД -- пунктирные.

Если изменять напряжение на магнетроне от значения U1 до U2, оставляя неизменной магнитную индукцию ВЗ, то рабочая точка, определяющая режим работы магнетрона, будет перемещаться вдоль линии постоянной индукции. Вследствие слабого наклона линий постоянной индукции при этом будет наблюдаться сильное изменение тока, протекающего через магнетрон (от h до Ь). Из характеристик видно, что в пределах одной линии постоянной индукции ток изменяется практически от нуля до своего максимального значения при относительно небольшом изменении анодного напряжения. Поэтому на практике режим работы магнетрона удобнее контролировать не по напряжению на магнетроне, а по анодномутоку.

В областях очень малых и очень больших токов магнетрон работает неустойчиво, в области малых токов наблюдается низкая стабильность частоты магнетрона, а в области больших токов возможно появление искрения -- кратковременных электрических пробоев внутри магнетрона, приводящих к быстрому разрушению катода.

КПД магнетрона возрастает при одновременном увеличении анодного напряжения и магнитной индукции, если при этом не нарушаются условия синхронизма. КПД магнетрона напрямую зависит от потерь, которые происходят двумя путями. Часть мощности теряется потому, что некоторые электроны прибывают на анодный блок магнетрона с крупными скоростями и тратят свою энергию на его нагрев. Вследствие этого магнетрон разогревается до высокой температуры и необходимо принимать специальные меры для его охлаждения. Другая часть мощности теряется в резонаторах магнетрона, так как в них возникают СВЧ токи большой силы. Для снижения этих потерь необходимо повышать добротность резонаторов. Существуют и некоторые другие виды потерь, но их удельный вес невелик.

Магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющих роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему.

Соосно анодному блоку закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создаётся внешними магнитами или электромагнитом.

Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля закреплённая в одном из резонаторов или отверстие из резонатора наружу цилиндра.

Резонаторы магнетрона представляют собой замедляющую систему, в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых видах колебаний, из которых важное значение имеет р-вид. Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на р.

Для стабильной работы магнетрона (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 магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные -- другой).

Рис. 1.3. Многорезонаторный магнетрон простейшей конструкции (слева -- внешний вид; справа -- разрез): 1 -- анодный блок с 8 резонаторами типа «щель-отверстие»; 2 -- резонатор; 3 -- ламель анодного блока; 4 -- связка в виде металлического кольца (второе такое же кольцо расположено на другом торце анодного блока); 5 -- катод; 6 -- выводы подогревателя катода; 7 -- радиатор; 8 -- петля связи для вывода энергии СВЧ; 9 -- стержень вывода энергии СВЧ для присоединения к коаксиальной линии

В простейшей конструкции многорезонаторного Магнетрона 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. Каждый резонатор соединяется щелью с центральным отверстием, в котором расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн от 1 до N/2 (N -- число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при котором число полуволн равно числу резонаторов (так называемый р-вид колебаний). Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на р. Для стабильной работы Магнетрона (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 Магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные -- другой).

Отдельные модели магнетронов могут иметь различную конструкцию. Так, резонаторная система выполняется в виде резонаторов нескольких типов: щель-отверстие, лопаточных, щелевых и т.д.

Коаксиальный магнетрон, магнетрон с коаксиальным резонатором, магнетрон, в котором вокруг анодного блока расположен коаксиальный резонатор, соединённый щелями с резонаторами анодного блока. Щели, соединяющие коаксиальный резонатор с анодным блоком, прорезаются параллельно оси магнетрона в задних стенках не всех резонаторов, а через один. Коаксиальный магнетрон был предложен французским инженером И. Азема в 1950 и более совершенной конструкции -- американскими учёными Р. Колье и И. Фейнштейном в 1955.

Коаксиальный магнетрон имеет ряд преимуществ в сравнении с классическим:

а) повышает стабильность его работы (у коаксиального магнетрона уход частоты, вызванный отражением волн от нагрузки, ширина спектра частот и интенсивность боковых лепестков спектра примерно в 5 раз меньше, а уход частоты от изменения силы тока и пропуск импульсов примерно в 10 раз меньше, чем у обычного магнетрона);

б) разделяет частоты равнорезонаторного анодного блока настолько, что отпадает необходимость применения связок;

в) позволяет увеличить рабочую поверхность катода и анодного блока и за счёт этого снизить плотность электронного потока, увеличить долговечность коаксиального магнетрона в 3 -- 4 раза по сравнению с обычным магнетроном; г) обеспечивает механическую перестройку частоты на 6 -- 13% перемещением поршня в коаксиальном резонаторе без существенного изменения выходной мощности.

В многорезонаторном Магнетроне 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 Магнетрона. 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. Вследствие действия постоянного магнитного поля, препятствующего попадания электронов на анод, электроны движутся по сложным нерадиальным путям, и внутри магнетрона создается заметный объемный заряд.

Устройство типичного многоре- зонаторного магнетрона показано схематически на рис. 1.4. Анодом магнетрона является сплошной цилиндрический медный блок, разделенный на сегменты продольными щелями. Эти щели входят в состав полых резонаторов, расположенных на равных расстояниях по окружности анода. Катод магнетрона имеет цилиндрическую форму и расположен внутри анода вдоль его оси.

Рис 1.4. Устройство многорезонаторного магнетрона

Постоянное магнитное поле В направлено вдоль оси прибора, т.е. перпендикулярно плоскости чертежа на второй проекции рис. 1.4. Постоянное или импульсное анодное напряжение Ua приложено между катодом и анодом и создает электрическое поле, перпендикулярное к направлению магнитного поля. Вывод СВЧ энергии производится обычно от одного из резонаторов, например, с помощью петли и коаксиальной линии.

В пространстве взаимодействия между катодом и анодом магнетронов происходят все процессы, которые должны присутствовать в любом электронном генераторе и усилителе СВЧ: Управление электронным потомком, образование сгустков и отдача энергии высокочастотному электрическому полю. В магнетронах нет разделенных в пространстве областей управления, группировки и отдачи энергии, которые имеются, например, в клистронах.

В работе магнетрона используется процесс движения электронов при наличии двух полей -- магнитного и электрического, перпендикулярных друг другу. Магнетрон представляет собой двухэлектродную лампу или диод, содержащий накаливаемый катод, испускающий электроны, и холодный анод. Магнетрон помещается во внешнее магнитное поле. Анод (анодный блок) магнетрона имеет довольно сложную монолитную конструкцию с системой резонаторов, необходимых для усложнения структуры электрического поля внутри магнетрона. Магнитное поле создается либо катушками с током (электромагнит), либо постоянным магнитом, между полюсами которого помещается магнетрон. Если бы магнитного поля не было, то электроны, вылетающие из катода практически без начальной скорости, двигались бы в электрическом поле вдоль прямых линий, перпендикулярных к катоду, и все попадали бы на анод. При наличии перпендикулярного магнитного поля траектории электронов искривляются силой Лоренца. Траектории движения электронов в магнетроне изображены на Рис. 1.5.



Рис. 1.5. Траектории движения электронов в магнетроне.

Траектория электрона есть циклоида, описываемая точкой, лежащей на окружности круга, равномерно катящегося по катоду. При прохождении циклоидного потока электронов мимо щелей резонаторов анодного блока, в них возбуждаются мощные электромагнитные СВЧ колебания. Высокочастотная энергия из прибора обычно выводится с помощью петли или отверстия связи, помещенных в периферийной части одного из резонаторов анодного блока.

Рассмотрим вначале движение электронов в магнетроне, предполагая, что колебаний в резонаторах нет. Для упрощения изобразим анод без резонаторов (рис. 1.6), как будто их забыли сделать.

Под влиянием ускоряющего электрического поля электроны стремятся лететь вдоль его силовых линий, т.е. по радиусам от катода к аноду. Но как только они набирают некоторую скорость, постоянное магнитное поле начинает искривлять их траектории. Так как скорость электронов постепенно нарастает, то радиус этого искривления постепенно увеличивается. Поэтому траектория электронов представляет собой не дугу окружности, а более сложную кривую -- циклоиду. На рисунке отображены траектории электронов, вылетевших с катода с ничтожно малой начальной скоростью при разной напряженности магнитного поля Н. Анодное напряжение во всех случаях одно и то же. Если магнитное поле отсутствует, то электрон летит строго по радиусу (траектория 1 на рисунке). При напряженности поля, меньшей этого критического значения Н_кр, электрон попадает на анод по криволинейной траектории 2. Критическая напряженность поля соответствует более искривленной траектории 3. В этом случае электрон пролетает у самой поверхности анода, почти касаясь ее, и возвращается на катод. Наконец, если поле выше критического, то электрон еще более круто поворачивает обратно (кривая 4).

Рис. 1.6. Движение электронов в пространстве взаимодействия при различной индукции магнитного поля

Рис. 1.7. Вращающееся электронное облако в пространстве взаимодействия

Магнетроны работают при напряженности поля, несколько большей критической. Поэтому электроны при отсутствии колебаний пролетают близко к поверхности анода на различных расстояниях от него в зависимости от начальной скорости. Поскольку одновременно движется очень большое количество электронов, можно считать, что в пространстве взаимодействия вращается электронное облако в виде кольца (рис. 1.7).

Скорость вращения электронного облака зависит от приложенного напряжения и поэтому может регулироваться. Чтобы при ее увеличении электроны не попадали на анод, одновременно необходимо увеличивать и напряженность магнитного поля.

Теперь вернем на место резонаторы. Все они связаны между собой, так как магнитное поле каждого из них замыкается, проходя через смежные резонаторы (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Связь между резонаторами магнетрона с помощью магнитного поля

Переменное электрическое поле в магнетронных резонаторах сосредоточено в области щели, причем значительная его часть проникает в область взаимодействия, что имеет принципиальное значение в работе магнетрона. Движение электронного облака в пространстве взаимодействия будет наводить токи в резонаторах. Однако в начальный момент увеличение амплитуды колебаний будет сдерживаться тем, что движение электронов не синхронизировано, и в то время, как одни электроны будут возбуждать колебания, сдавая им часть своей кинетической энергии, другие будут эти колебания гасить. Кроме того, если сдвиг фаз в соседних резонаторах на синхронизирован со скоростью электронов, то один и тот же электрон, отдавая энергию одному резонатору, будет ее тут же отбирать у другого. Обычно для нормальной работы магнетрона требуется, чтобы фазы соседних резонаторов были смещены на 1ЭСГ, т.е. на тс радиан. Поэтому такой вид колебаний называется к -- видом. Чтобы способствовать возбуждению этого вида и препятствовать возбуждению остальных, в магнетроне используются металлические связки, которые соединяют между собой четные и нечетные резонаторы.

Предположим, что в какой-то момент времени в резонаторах случайным образом возникни колебания нужного нам вида (рис. 1.9). Попытаемся доказать, что при правильно заданных режимах магнетрона эти колебания будут усиливаться за счет автоматической группировки электронов.

В любой точке пространства взаимодействия мы можем рассматривать СВЧ поле как сумму двух составляющих: радиальной -- направленной по радиусу от центра магнетрона, и перпендикулярной ей касательной составляющей. Рассматривая рис. 1.9, можно заметить следующую характерную особенность: во всем пространстве, находящемся под отрицательным сегментом, радиальная составляющая поля направлена к катоду, а во всем пространстве под положительным сегментом она направлена к аноду (попе считаем направленным в ту сторону, куда движется электрон под действием этого поля). Границами, разделяющими эти пространства, являются плоскости, проходящие через ось магнетрона и середины щелей. Обозначим одну из таких плоскостей буквами АА. Слева от этой плоскости радиальная составляющая будет ускорять электроны, поскольку она совпадает по знаку с постоянным анодным напряженным. Так как под влиянием магнитного поля направление скорости изменяется, то через него время увеличение скорости в радиальном направлении превращается в увеличение скорости по направлению к плоскости АА.

Поэтому электроны, находящиеся под положительным сегментом, догоняют электроны, находящиеся в плоскости АА. Электроны, находящиеся под отрицательным полюсом, тормозятся радиальной составляющей СВЧ волн, поэтому их скорость в направлении движения электронного облака снижается. В результате образуются области электронных скоплений, по форме напоминающие спицы колеса, как это отображено на рис. 1.10. Эти спицы вращаются с такой скоростью, чтобы за половину периода проходить расстояние от одной резонаторной щели до другой.

Рис. 1.9. Распределение силовых линий переменного электрического п пространстве взаимодействия.

Рис. 1.10. Форма вращающегося электронного облака в работающем магнетроне

В этом случае электроны, находящиеся в спицах, пролетая над щелями резонаторов, могут постоянно попадать в тормозящее поле касательной составляющей и отдавать ему энергию, накопленную во время движения по радиальной составляющей. Таким образом, основная роль касательной составляющей СВЧ поля заключается в преобразовании кинетической энергии электронов в энергию колебаний, а основная роль радиальной составляющей заключается в преобразовании равномерного электронного облака в колесо от телеги.

Рассмотрим более подробно движение отдельного электрона в двух случаях: когда он находится в спице и когда он вне ее. Как уже отмечалось, при отсутствии СВЧ поля электрон. вылетевший с катода со скоростью, равной нулю, совершит круг почета вблизи анода и вновь вернется на катод. Причем скорость в конце пути будет той же, что и в начале, т.е. в нашем случае нулевой.

При наличии СВЧ поля возможны два случая:

1. Допустим, электрон находится в области спицы. Тогда, вылетев с катода, он будет разгоняться анодным напряжением и за счет магнитного поля постепенно изменять направление движения. Влетев в тормозящее СВЧ поле, он отдаст ему часть своей кинетической энергии, и его скорость снизится. В результате ему не хватит оставшейся энергии, чтобы долететь обратно до катода. В какой-то момент он остановится, а затем вновь начнет движение к аноду под воздействием анодного напряжения. Все предыдущие процессы повторятся, за исключением того, что точкой начала движения будет не катод. В этом же духе будут происходить и последующие циклы, пока в конце концов электрон не доберется до анода. Таким образом, электрон на пути к аноду проходит по сложной траектории (рис. 1.11) несколько раз, отдавая свою энергию СВЧ полю.

2. Возможен, однако, и другой случай. Если при прочих равных условиях электрон вылетел с катода в момент, когда он находился между спицами, то он попадет в ускоряющее СВЧ поле, и поэтому ему после правого разворота в магнитном поле вполне хватит энергии врезаться в катод. Избыток кинетической энергии выделится в виде тепла, приводя к дополнительному разогреву катода.

Рис. 1.11. Траектория электрона, находящегося в спице, при движении от катода к аноду.

1.3 Особенности коаксиальных магнетронов

Хотя многорезонаторный магнетрон благодаря его компактности и способности генерировать большие мощности продолжает играть значительную роль в области генерирования СВЧ колебаний, возможности его применения ограничиваются рядом трудностей и постепенным ухудшением его характеристик по мере уменьшения длины волны. Эти трудности заключаются главным образом в следующем:

- неполная управляемость видом колебаний, с которого начинаются колебания в магнетроне, при нарастании импульса анодного напряжения.

- недостаточная частотная стабильность при изменении нагрузки и уровня мощности.

Так как в большинстве случаев современные магнетроны имеют механическую настройку частоты, то к указанным трудностям добавляются трудности, связанные с механической настройкой.

Давно известно, что для повышения частотной стабильности магнетрона можно использовать внешний резонатор высокой добротности. При реализации этой идеи на практике возникает два препятствия:

- расщепление р-вида на две составляющие благодаря конечной длине линии связи между стабилизирующей полостью и генератором, в связи с чем возникает тенденция к генерированию колебаний нестабилизированного вида

- начальные условия возбуждения колебаний более благоприятны для нестабилизированных конкурирующих паразитных видов.

Если в магнетронах с фиксированной частотой разумным расположением поглощаемого материала, вводимого внутрь прибора, и селективной внешней нагрузкой можно добиться стабильной работы генератора, то в настраиваемых магнетронах эффективность таких усложнений сомнительна.

1.3.1 Принцип работы коаксиального резонатора, связанного с колебательной системой анодного блока коаксиального магнетрона

Подобно тому как связки первоначально предназначались для соединения тех точек колебательной системы, которые при колебаниях р-вида находятся под одинаковыми высокочастотными потенциалами, так и рассматриваемый резонатор, конструируется с таким расчетом, чтобы правильно сфазировать высокочастотные токи резонаторов анодного блока. Рис.1.12 иллюстрирует конструкцию и принцип работы коаксиального магнетрона. Вокруг анодного блока магнетрона коаксиально с ним расположен резонатор. Размеры этого резонатора выбираются так, чтобы в нем возбуждались колебания типа H₀₁₁, т. е. колебания с кольцевыми электрическими силовыми линиями. Кольцевые токи, текущие по цилиндрическим стенкам коаксиального резонатора, находятся в фазе во всех точках по окружности поперечного сечения каждой стенки резонатора. В задних стенках резонаторов анодного блока через один резонатор прорезаны вертикальные щели, связывающие их с коаксиальным резонатором. Так как резонаторы анодного блока со стороны щелей имеют низкие импедансы, последние хорошо согласуются с импедансом коаксиального резонатора, определяемым со стороны тех же щелей. Колебания типа H₀₁₁ в коаксиальном резонаторе обеспечивают синфазность токов и напряжений во всех резонаторах анодного блока, имеющих щель связи, что способствует поддержанию колебаний только р-вида. Эти резонаторы можно рассматривать как четвертьволновые трансформаторы, которые создают сильные высокочастотные поля в пространстве взаимодействия магнетрона и синхронизируются высокочастотными токами, текущими по стенкам коаксиального резонатора. Связь между соседними резонаторами через общие высокочастотные магнитные потоки достаточна, чтобы возбудить каждый

резонатор без щели такими же по величине, но противоположными по фазе токами, что приводит к возникновению, колебаний чистого р-вида. Чтобы достигнуть одинакового возбуждения резонаторов, требуется чисто индуктивная связь.



Рис. 1.12. Коаксиальный магнетрон.

В случае открытого с торцов анодного блока, что в большинстве случаев применяется для магнетронов, высота резонаторов должна быть значительно меньше половины длины волны (эта высота составляла всего 6,4мм в приборе Х-диапазона, для замены которого разрабатывался коаксиальный магнетрон). Так как длина волны коаксиального резонатора должна быть немного больше половины длины волны, то было сочтено целесообразным удлинить щели, прорезанные в стенке внутреннего цилиндра этого резонатора, за пределы анодного блока для достижения более постоянной связи в широкой полосе частот и для увеличения доли высокочастотной энергии, которая сосредоточена в резонаторах анодного блока. Для высокочастотного поля коаксиального резонатора удлиненные щели как открытые контура имеют высокий импеданс, последовательно действующий с металлической стенкой, от которой в резонаторы анодного блока втекает большая часть тока коаксиального резонатора. Высокий импеданс щелей связи поддерживает эти токи неизменными при изменении импеданса резонаторов с частотой. Наконец, большая часть энергии всей системы, сосредоточенная в коаксиальном резонаторе (около 90% в рассматриваемой конструкции), дозволяет осуществлять настройку частоты всей системы изменением размеров коаксиального резонатора. Поэтому положение поршня этого резонатора (подобного поршню в волномере) определяет частоту магнетронного генератора.

1.3.2 Рабочие характеристики коаксиального магнетрона

Колебательный или динамический режим магнетронного генератора определяется следующими основными факторами:

Параметрами резонаторной системы, состоящей из связанных между собой резонаторов анодного блока.

Электронными потоками, движущимися в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях в условиях реального вакуума и ограниченной эмиссии с катода и взаимодействующими с высокочастотным полем резонаторной системы.

Характеристиками вывода энергии, состоящего из трансформатора связи и неоднородного участка линии передачи вместе с вакуумным уплотнением.

Условиями и режимом работы магнетрона в аппаратуре.

Условия эксплуатации магнетронов характеризуются:

1) температурой, влажностью и давлением окружающей среды;

2) способом охлаждения и, следовательно, температурой анодного блока и других элементов конструкции магнетрона;

3) скоростью перестройки частоты генерации и усилием, прикладываемым к механизму настройки в случае перестраиваемых магнетронов;

4) порядком включения питающих напряжений, их стабильностью и требуемым временем готовности магнетрона;

5) продолжительностью непрерывной работы магнетрона в передатчике и многократностью его включения и выключения;

6) механическими воздействиями на магнетрон (вибрация, удары и т.п.);

7) схемой передатчика (на жестких или на мягких лампах и т. д.);

8) способами канализации генерируемой мощности (длина передающего тракта, избыточность или, наоборот, разреженность давления в тракте, степень рассогласования оконечной нагрузки с волновым сопротивлением передающей линии);

9) технической подготовленностью обслуживающего персонала;

многими другими факторами, оговариваемыми техническими условиями, руководствами и инструкциями по эксплуатации магнетронов в специальных устройствах и режимах.

Режимы испытания и эксплуатации магнетронов, оговариваемые техническими условиями (ТУ) на магнетрон и передатчик, характеризуются:

1) напряжением накала или током накала и допустимым отклонением этих величин от номинальных значений (обычно допустимое отклонение лежит в пределах ±10%);

2) анодным напряжением и допустимым верхним пределом повышения напряжения;

3) анодным током и допустимой величиной отклонения (в большую или меньшую сторону) анодного тока от номинального значения, оговариваемого паспортом на магнетрон;

4) напряженностью магнитного поля в пространстве взаимодействия магнетрона;

5) длительностью, крутизной фронтов и формой плоской части импульса напряжения, величиной положительного или отрицательного напряжения непосредственно после прохождения основного импульса;

6) частотой посылок импульсов напряжения или скважностью;

7) коэффициентом стоячей волны (КСВН), фазой высокочастотной нагрузки (нагрузкой является поглотитель или антенна вместе с участком линии передачи от выходного фланца магнетрона) и др.

При заданных условиях и режимах испытания магнетрон определенного типа характеризуется следующими параметрами, оговариваемыми техническими условиями на магнетроны:

1) частотой генерируемых колебаний или диапазоном настройки;

2) величиной отдаваемой в полезную нагрузку импульсной и средней мощности или мощности непрерывных колебаний;

F= 0.417f_г/Q_вн

где F-- степень затягивания частоты, Мгц;

f_Г -- частота генерации, Мгц;

Qвн -- внешняя добротность контура магнетрона, определяемая как умноженное на 2п отношение запасенной энергии в контуре, к энергии потерь во внешней согласованной нагрузке за один период колебаний;

3) длительностью импульсов;

4) коэффициентом полезного действия (к. п. д.), определяемым как отношение высокочастотной энергии, отдаваемой магнетроном в полезную нагрузку, к энергии, потребляемой анодной цепью магнетрона;

степенью затягивания частоты (СЗ), характеризуемой величиной изменения частоты генерации магнетрона при полном (на 2л) изменении фазы нагрузки с КСВН=1,5 (при неизменном анодном токе и магнитном поле). Связи между параметрами магнетрона и режимами его работы в передающем устройстве описываются следующими характеристиками:

рабочей, нагрузочной; вольтамперной; диапазонной (для перестраиваемых магнетронов); накальной; модуляционной.

Рабочими характеристиками называют семейства кривых, построенных в координатах при различных значениях В и отражающих, следовательно, зависимость основных выходных параметров магнетрона: мощности (Р), частоты (f_г) и к.п.д. ()--от анодного напряжения (U_а), анодного тока (I_а) и индукции магнитного поля (В). При этом нагрузка и прочие условия предполагаются заданными и неизменными.

Нагрузочными характеристиками или нагрузочной диаграммой называют семейства кривых Р = const, f_г.= const и = const, построенных в координатах модуля и фазы КСВН нагрузки и отображающих, следовательно, зависимость основных выходных параметров магнетрона от параметров нагрузки при заданных и неизменных величинах анодного тока и магнитного поля.

Вольтамперной характеристикой называют кривую (или семейство кривых), отображающую зависимость анодного тока от анодного напряжения при заданных и неизменных магнитном поле и высокочастотной нагрузке.

Диапазонными характеристиками называют кривые, отображающие изменения в диапазоне настройки основных выходных параметров магнетрона (Р, f_г, "л) от положения элемента настройки магнетрона.

Накальными характеристиками называются кривые, отображающие следующие зависимости:

1) зависимость тока эмиссии и коэффициента вторичной эмиссии от температуры катода, определяемую в основном используемым типом катода (оксидный, импрегнированный и т. д.);

2) зависимость температуры катода от величины подводимой мощности к подогревателю, определяемую конструкцией и материалами керна и покрытия катода, катодной ножки и подогревателя;

3) зависимость анодного тока не генерирующего магнетрона (постоянное магнитное поле отсутствует) от температуры катода, устанавливающейся за счет мощности, подводимой к подогревателю через вводы катодной ножки реальной конструкции при заданном и неизменном значении анодного напряжения (характеризует термоэмиссионные свойства катода в реальном магнетроне в отсутствие генерации колебаний);

4) зависимость анодного тока магнетрона от температуры катода, устанавливающейся за счет мощности подогревателя и мощности обратной бомбардировки, определяемую эмиссионными свойствами катода в генерирующем магнетроне;

5) зависимость напряжения накала от величины подводимой к магнетрону мощности в режиме генерации колебаний при заданном и неизменном значении температуры на поверхности катода;

6) зависимость параметров магнетрона, характеризующих его стабильность (уходы частоты от импульса к импульсу, искрения и Др.), от величины подводимой мощности к подогревателю;

Модуляционными характеристиками называются кривые, отображающие зависимость основных выходных параметров магнетрона (частоты генерации, мощности) от конечной и малой амплитуды периодических воздействий на один из параметров режима (ток, напряжение, длительность импульса, частота посылок или амплитуда импульсов напряжения), или от малого смещения элемента настройки, или от иных параметров, связанных с воздействиями на колебательный режим магнетрона. При этом предполагается, что при введении периодических и малых воздействий (модуляций) усредненные значения выходных параметров сохраняются приблизительно неизменными.

Для проверки принципа работы рассматриваемого генератора анодный блок магнетрона Х-диапазона был точно ориентирован по отношению к щелям внутреннего цилиндра коаксиального резонатора и затем вмонтирован в него. Катод и полюсные наконечники были размещены строго по оси и симметрично. Помимо отпаянных конструкций, была испытана разборная конструкция такого прибора в условиях непрерывной откачки. Конструкция магнетрона хорошо приспособлена для этого: единственный фланец на конце внешнего цилиндра позволяет произвести полную разборку магнетрона.

Электрические характеристики рассматриваемого и обычного магнетронов сопоставляются в приводимой таблице.

Характеристики коаксиального и обычного магнетронов Х-диапазона

Характеристика	Коаксиальный магнетрон	Обычный магнетрон
Импульсная мощность, квт к. п. д. контура, % Электронный к. п. д., % Диапазон перестройки, % Степень затягивания частоты, Мгц. Электронное смещение частоты, Мгц/а	250 85 65 20 3 0,08	250 70 60 15 14 0,4

Таблица 1.1.

1.4 Применение магнетронов

Наиболее широкое применение многорезонаторные магнетроны нашли в радиолокации и радионавигации, а также в различных системах радиосвязи и управления.

В настоящее время к магнетронам предъявляются весьма жесткие требования по стабильности частоты в самых различных условиях эксплуатации. Так, например, частота высокочастотных колебаний (усредненная за время импульса) не должна изменяться от импульса к импульсу более чем на несколько десятков килогерц. Такое требование предъявляется к магнетрону трехсантиметрового диапазона, используемому в радиолокационной системе с селекцией движущихся целей (РЛС с СДЦ). В этом случае стабильность частоты от импульса к импульсу определяется величиной (З-5)*10^-6. Высокая стабильность частоты требуется также и в других случаях применения магнетронов.

...