Конструкция многорезонаторных магнетронов

2.0 КОНСТРУКЦИЯ МНОГОРЕЗОНАТОРНЫХ МАГНЕТРОНОВ

2.1 Конструкция импульсных магнетронов

Импульсные многорезонаторные  магнетроны по конструктивному

оформлению  подразделяются на две группы. К  первой группе относятся пакетированные магнетроны. Магнетрон называется пакетированным, если магнитная система является частью его конструкции. Ко второй группе относятся непакетированные магнетроны. Магнитная система для этих магнетронов входит в конструкцию передающего устройства.

Основными конструктивными элементами многорезонаторного магнетрона являются:

1) анодная система, состоящая  из полых колебательных контуров;

2) катодный узел;

3) узел вывода высокочастотной  энергии;

4) магнитная система;

5) узел перестройки частоты (для  настраиваемых магнетронов).

На рисунке 16 показано устройство ненастраиваемого многорезонаторного непакетированного магнетрона сантиметрового диапазона без магнитной системы- Колебательная система магнетрона состоит из 8 полых резонаторов, располагающихся по окружности. Вообще количество резонаторов может быть от 8 до 40. Широкое распространение получили резонаторы типа «щель-отверстие» и лопаточного типа. На рисунке 17 представлены различные виды резонаторных систем.

 

 

 

 

                                      

     

 

 

Рисунок 16 - Устройство многорезонаторного магнетрона:

1 — анодная система;

2 — полые колебательные контуры;

3—пространство взаимодействия;

4 — оксидный катод;

5 — подогреватель;

6 — экранный диск;

7 — петля связи; 

8 — кольца связи; 

9 — выводы накала и анодного  напряжения — траверсы;

10 — вывод высокочастотной энергии.

Экспериментальные исследования показали, что резонаторная система возбуждается на тех частотах, при которых по окружности резонаторной системы укладывается целое число волн. При этом каждой частоте соответствует свое определенное распределение высокочастотного поля в пространстве взаимодействия.

По числу целых волн видам  колебаний присваиваются номера видов ( n = 0, 1, 2, 3, ..., N/2) .

Резонаторная система, состоящая  из N резонаторов, может иметь бесконечное  число видов колебаний, но опыт показал, что виды колебаний с числом, большим  (N/2)+1, возбуждаются редко и практического интереса не имеют. Многорезонаторные магнетроны, как правило , работают на таком виде колебаний, при котором n = N/2 ,

т. е. напряжения и токи в соседних резонаторах  сдвинуты по фазе на 180°. Этот вид колебаний получил название π - вида.

Рассматриваемая резонаторная система  имеет 8 резонаторов, следовательно, магнетрон работает на четвертом виде колебаний ( n =N/2=8/2=4). В общем случае фазовый сдвиг между колебаниями в соседних резонаторах равен

 

Где n = 0, 1, 2, 3,..., N/2 - номер вида колебаний.

Для получения устойчивой работы магнетрона на π-виде колебаний применяются специальные меры: в резонаторных системах с одинаковыми резонаторами устанавливают металлические кольца связи с торцевых сторон, соединяющие сегменты системы через один резонатор, т. е. одно кольцо связи соединяет между собой все четные, другое — все нечетные сегменты.

При колебаниях π-вида емкость колец связи прибавляется к емкости резонаторов. Это приводит к увеличению резонансной длины волны π-вида. Для других видов колебаний разность фаз между сегментами, присоединенными к кольцам связи-, не равна нулю и по кольцам связи течет ток. В этом случае кольца связи играют роль индуктивности.

В результате для всех видов колебаний (кроме π-вида) параллельная индуктивность уменьшает резонансную длину волны, и разделение по частоте между π-видом и другими видами колебаний увеличивается. На рисунке 18 показана зависимость резонансной длины волны от видов колебаний для системы с кольцами связи и без них. Из рисунка видно, что резонаторная система с кольцами связи имеет разделение по частоте между π-видом колебаний (n=N/2=4) и соседним  видом   колебаний (n=(N/2)-1=3 примерно в 15 раз больше по сравнению с резонаторной системой без колец связи.

Вторым методом увеличения разделения резонансных частот магнетрона является применение разнорезонаторных систем (рисунок 17,г, д, е). В технологическом отношении разнорезонаторные системы являются очень простыми. Однако следует заметить, что к. п. д. магнетронов с разнорезонаторными системами несколько меньше, чем у магнетронов, имеющих кольца связи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 17 - Системы резонаторов, применяемые в магнетронах.

Системы с одинаковыми резонаторами:

а — щелевого типа;

б—типа   щель-отверстие;

в — лопаточного типа.

Разнорезонаторные системы:

г — щелевого   типа;

д — типа щель-отверстие; 
е — лопаточного типа.

 

 

 

 

 

Высокочастотная энергия из колебательной  системы магнетрона передается к  высокочастотной нагрузке через выходное устройство, которое должно согласовывать волновое сопротивление резонаторной системы с входным сопротивлением линии передачи СВЧ энергии. Согласующие элементы называются трансформаторами сопротивлений.

При разработке многорезонаторных  магнетронов применяются следующие  типы выводов энергии: коаксиальные, волноводные и коаксиально-волноводные.

В коаксиальном выводе энергии, как  правило, применяется индуктивная связь при помощи петли связи, которая располагается в одном из резонаторов. Один конец петли связи соединяется с анодным блоком, другой является внутренним проводником короткой коаксиальной линии, к которой присоединяется коаксиальная линия передачи, соединяющая магнетрон с антенной или другой высокочастотной нагрузкой. Если используется в качестве передающей линии волновод, то внутренний проводник коаксиальной линии служит для возбуждения волновода.

В волноводном выводе энергии высокочастотная  энергия отводится из магнетрона через щель, которая соединяет  полость одного из резонаторов с  волноводом. Согласование волнового  сопротивления резонаторной системы с волновым  сопротивлением  волновода осуществляется с помощью ступенчатых или экспоненциальных переходов. На рисунке 19 и 20 представлены типичные конструкции коаксиального и волноводного выводов энергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 18 - Спектр основных видов колебаний резонаторной системы, состоящей из восьми резонаторов:

1 — без колец связи;

2 — с двойными двусторонними кольцами связи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 19 - Коаксиальный вывод энергии магнетрона:

1 — наружный цилиндр;

2 — внутренний штырь с петлей  связи;

3—медный штуцер;

4 — кольцо коваровое;

5 — стеклянная   вакуумноплотная диафрагма;

6 — петля связи;

7 — резонаторная система.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 20 - Магнетрон с волноводным выводом энергии:

1 — резонаторная система;

2 — ступенчатый трансформатор  сопротивлений;

3 — фланец  дроссельного   сочленения;

4 — вакуумноплотная   диафрагма;

5 — щель связи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Источником электронов в магнетроне является накаливаемый катод цилиндрической формы. Геометрические размеры катода выбирают таким образом, чтобы обеспечить необходимые уcлoвия для возбуждения рабочего вида колебаний и эффективной передачи энергии электронов высокочастотному полю резонаторной системы. Крепление катода в магнетроне осуществляют с помощью радиально расположенных траверс (рисунок 16) или специальной катодной ножки аксиального типа (рисунок 21).

 

Катод магнетрона должен обеспечить большую плотность электронной эмиссии. В магнетронах 10 - 30-сантиметрового диапазона плотность электронной эмиссии должна быть 3—10 а/см². В коротковолновой части сантиметрового диапазона волн плотность электронной эмиссии может достигать 100 а/см² и более.

В современных импульсных магнетронах  средней мощности широко применяются  оксидно-бариевые, а в мощных магнетронах  — оксидно-ториевые и другие катоды.

В последнее время для повышения  надежности и долговечности в импульсных магнетронах применяются L-катоды, импрегнированные и др.

На рисунке 22 показаны конструкции L- и импрегнированного катодов. По краям обычно устанавливаются экраны, которые служат для улучшения распределения электрического поля в пространстве взаимодействия и уменьшения утечки электронов в торцевую полость из пространства взаимодействия.

Катод в импульсных магнетронах  находится в несколько необычных условиях по сравнению с катодами в других  электронных   приборах.   Основной   особенностью условий работы катода магнетрона является интенсивная обратная бомбардировка его поверхности электронами. Физическая сущность обратной бомбардировки заключается в том, что некоторая часть электронов ускоряется переменным электрическим полем и возвращается на катод. Вследствие этого происходит дополнительный разогрев катода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 21 - Конструкция катодного узла:

1 — траверса;

2 — цилиндр;

3 — баллон;

4 — экранный диск;

5 — эмиттирующий состав;

6 — подогреватель;

7 — керамический изолятор.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 22 - Конструкции L-катода (а) и импрегнированного катода (б):

1 — пористый вольфрамовый цилиндр;

2 — подогреватель;

3 — изолятор;

4 и 5 — танталовые пластинки;

6 — молибденовый внутренний  цилиндр;

7 — эмиттирующий материал;

8 — молибденовый экран;

9 — цилиндр из пористого вольфрама,  пропитанный эмиттирующим материалом.

 

 

Мощность, которую отдают электроны при возвращении на катод, может составлять до 10% подводимой мощности источника анодного напряжения. Поэтому в некоторых магнетронах после включения анодного напряжения и возбуждения высокочастотных колебаний напряжение накала снижают, а иногда и полностью выключают. Однако в некоторых случаях эти меры являются недостаточными, поэтому нормальный температурный режим катода поддерживают путем принудительного охлаждения катодного узла.

Обратная электронная бомбардировка, с одной стороны, играет положительную роль, увеличивая электронную эмиссию за счет вторичных электронов, с другой стороны — отрицательную, уменьшая срок службы катода.

Для создания в пространстве взаимодействия магнитного поля применяются постоянные магниты, которые изготавливаются из специальных сплавов с высокой остаточной индукцией. В мощных импульсных магнетронах с длинным анодом для создания магнитного поля применяются электромагниты или соленоиды. Величина магнитного поля для импульсных магнетронов сантиметрового диапазона составляет 1500—7000 э.

На рисунке 23 показано конструктивное оформление пакетированного магнетрона.

Существуют магнетроны, работающие как на фиксированной частоте, так и перестраиваемые магнетроны в небольшом диапазоне частот. Перестройка магнетронов по частоте осуществляется механическим путем емкостным или индуктивным методом.

Емкостной метод заключается в  том, что между кольцами связи перемещается специальное кольцо, которое изменяет емкость резонаторов. Сущность индуктивного метода в том, что металлические штыри погружаются в цилиндрическую часть резонаторов, изменяя их индуктивность, а следовательно, и собственную частоту резонаторной системы. Иногда (применяется комбинированная настройка, т. е. индуктивно-емкостная.

Диапазон перестройки импульсных магнетронов составляет 5—10%. При дальнейшем расширении диапазона перестройки наблюдается нарушение нормальной работы магнетрона, вызванное «перескоком» с колебаний я-вида на соседний вид колебаний. Это приводит к резкому изменению мощности и к. п. д. магнетрона по диапазону.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 23 - Внешний вид пакетированного магнетрона:

1 — гнезда для подключения анодного напряжения и напряжения накала;

2 — анодный блок с резонаторной системой;

3 — магнитная система;

4—выходной фланец вывода энергии.