Содержание

Общие сведения,
классификация
Устройство и работа диода
Устройство и работа триода
Электронная эмиссия
Термоэлектронные катоды
Особенности устройства
электронных ламп
Физические процессы
Закон степени трех вторых
Анодная характеристика
Параметры
Рабочий режим. Применение
диода для выпрямления
переменного тока
Основные типы
Физические процессы
Токораспределение
Действующее напряжение и
закон степени трех вторых
Характеристики
Параметры
Особенности
Усилительный каскад с
триодом
Параметры усилительного
каскада
Аналитический расчет и
эквивалентные схемы
усилительного каскада
Графоаналитический расчет
режима усиления
Генератор с триодом
Межэлектродные емкости
Каскады с общей сеткой и
общим анодом
Недостатки триодов
Основные типы приемно-
усилительных триодов
Устройство и работа тетрода
Устройство и работа пентода
Схемы включения тетродов
и пентодов
Характеристики тетродов
и пентодов
Параметры тетродов и
пентодов
Межэлектродные емкости
тетродов и пентодов
Устройство и работа
лучевого тетрода
Характеристики и параметры
лучевого тетрода
Рабочий режим тетродов
и пентодов
Пентоды переменной
крутизны
Краткие сведения о
различных типах
тетродов и пентодов
Специальные лампы
Общие сведения
Электростатические
электронно-лучевые трубки
Магнитные электронно-
лучевые трубки
Люминесцентный экран
Краткие сведения о
различных электронно-
лучевых трубках
Электрический разряд
в газах
Тлеющий разряд
Стабилитроны
Тиратроны тлеющего разряда
Индикаторные приборы
Дисплеи
Краткие сведения о
различных газоразрядных
приборах
Фотоэлектронная эмиссия
Электровакуумные
фотоэлементы
Фотоэлектронные умножители
Причины собственных шумов
Шумовые параметры
Межэлектродные емкости
и индуктивности выводов
Инерция электронов
Наведенные токи в
цепях электродов
Входное сопротивление
и потери энергии
Импульсный режим
Основные типы электронных
ламп для СВЧ
Общие сведения
Пролетный клистрон
Отражательный клистрон
Магнетрон
Лампы бегущей и
обратной волны
Амплитрон и карматрон
Надежность и испытание
электровакуумных приборов
Усилитель на триоде
с общим катодом
Ограничения по выбору
рабочей точки
Режим в рабочей точке
Катодное смещение
Выбор величины
сопротивления резистора
в цепи сетки
Выбор выходного
разделительного
конденсатора
Вредное влияние проходной
емкости лампы и пути
его уменьшения
Применение
экранированных ламп
Каскод (каскодная схема)
Катодный повторитель
Каскад с общим катодом
как приемник
неизменяющегося тока
Пентоды в качестве
приемников
неизменяющегося тока
Катодный повторитель
с активной нагрузкой
Катодный повторитель Уайта
μ-повторитель
Выбор верхней лампы для
μ -повторителя
Параллельно управляемый
двухламповый усилитель
(SRPP)
β-повторитель
Дифференциальная пара
(дифференциальный каскад)
Коэффициент реакции
питающего напряжения
(PSRR)
дифференциальной пары
Полупроводниковые
приемники неизменяющегося
тока для
дифференциальной пары
Использование транзисторов
в качестве активной нагрузки
для электронных ламп
Классификация искажений.
Принципы оценки линейных
искажений
Принципы измерения
нелинейных искажений
Измерение и интерпретация
искажений
Совершенствование
измерений нелинейных
гармонических искажений
Цифровая обработка сигналов
Особенности проектирования
усилителей с малыми
искажениями
Работа с сеточным током
и нелинейные искажения
Уменьшение искажений
подавлением (компенсацией)
Проблемы смещения
по постоянному току
Выбор электронной лампы по
критерию низких искажений
Проблема сопряжения одного
каскада со следующим
Усилитель класса А для
электромагнитных головных
телефонов с непосредств.
междукаскадной связью
Радиокомпоненты -
Общие сведения
Ряды стандартизованных
значений сопротивлений
Металлизированные
пленочные резисторы
Проволочные резисторы
Конденсаторы -
Общие сведения
Металлические конденсаторы
с воздушным диэлектриком
Пленочные конденсаторы,
изготовленные
металлизацией диэлектрика
Алюминиевые
электролитические
конденсаторы
Основные вопросы,
возникающие при
выборе конденсатора
Общие сведения о
катушках индуктивности
Трансформаторы -
Общие сведения
Трансформаторы.
Намагничивание и потери
Модели трансформаторов
Почему необходимо
использовать трансформаторы
Определение параметров
неизвестного трансформатора
Основные виды
источников питания
Выпрямление переменного
тока
Одиночный накопительный
конденсатор в роли
сглаживающего элемента
Влияние напряжения
пульсаций на выходное
напряжение
Насыщение сердечника
трансформатора
Критерии выбора силового
трансформатора
Источник питания со
сглаживающим дросселем
Номинальное значение
тока дросселя
Выбросы тока и
демпфирующие элементы
Использование накопительного
конденсатора для снижения
высоковольтного напряжения
Частотные характеристики
используемых на практике
LC-фильтров
Широкополосная фильтрация
Выпрямители с умножением
(умножители) напряжения
Классическая схема
последовательного
стабилизатора
Двухтранзисторная схема
последовательного
стабилизатора
Стабилизатор цепи сеточного
смещения с регулируемым
выходным напряжением
Источники питания низкого
напряжения и синфазный шум
Ламповый стабилизатор
напряжения
Способы увеличения
выходного тока стабилизатора
Коэффициент режекции
источника питания
Включение сглаживающих
конденсаторов
Перенапряжения при
включении схемы
Составление предварительной
схемы блока питания
Высоковольтный выпрямитель
и стабилизатор
Особенности смещения
подогревателей ламп
Схема улучшенного
источника питания
Рабочий режим
Увеличение максимально
допустимого Vrrm
Выходной каскад класса А
с несимметричным выходом
Особенности акустических
систем
Неидеальности
трансформаторов
Режимы работы усилительных
приборов. Классы усилителей
Двухтактный выходной каскад
Выходной каскад по
ультралинейной схеме
Трансформаторный катодный
повторитель
Усилители без выходного
трансформатора
Составляющие блока
усилителя мощности
Предоконечный каскад блока
усилителя мощности
Фазоинверсный каскад
Дифференциальный усилитель
или пара с катодной связью
«Согласованный»
фазоинвертор
Общие проблемы
устойчивости усилителей
Подавление первой
доминанты ВЧ составляющей
Низкочастотное
самовозбуждение усилителя
Усилитель Williamson
Усилитель Milliard 5-20
Усилитель Quad II
Выбор выходной лампы
Выбор статической рабочей
точки с учетом Pвых и КНИ
Точное определение
выходного трансформатора
Особенность выпрямление
высоковольтного напряжения
Варианты применения
стабилизатора ВВ напряжения
Требования к каскаду
предоконечного усиления
Определение рабочей точки
предоконечного каскада
Проверка работоспособности
усилителя
Пример разработки
двухтактного УМ
Оптимизация входного и
фазоинверсного каскадов
Расчет R катодного смещения
лампы и R обратной связи
Выбор элементов
оконечного каскада
Разработка усилителей
мощностью более 10 Вт
Активные кроссоверы
и схема Зобеля
Выбор лампы для
оконечного каскада
Требования к предоконечному
каскаду усиления
Источники питания и
постоянная токовая нагрузка
Второй дифференциальный
усилитель и выходной каскад
Первый дифференциальный
усилитель и линейность х-ки
Каскодная схема постоянной
токовой нагрузки
Постоянная токовая нагрузка
первого диф. каскада
Элементы, повышающие ВЧ
устойчивость. Итоговая схема
Схема источника питания
«Потомок от усилителя Beast»
Расчет уровня фонового
шума от ИП
Особенности цифрового
сигнала от компакт-диска
Требования к предусилителю
Технические требования
к линейному каскаду
Традиционный линейный
каскад
Пути достижения заданных
требований и выбор лампы
Основные проблемы
регулирования громкости
Переключаемые аттенюаторы
Расчет переключаемого
аттенюатора
Табличные вычисления для
расчета регулятора громкости
Светочувствительные
резисторы и громкость
Входной переключатель
Частотный корректор RIAA
Влияние провода
звукоснимателя
Требования к блоку
частотной коррекции
Метод частотной коррекции
стандарта RIAA
Раздельное выравнивание
характеристики RIAA
Шумы и влияние входной
емкости входного каскада
Учет собственных
шумов лампы
Улучшение шумовых
характеристик с RIAA
Расчет элементов на 75 мкс
Параметры цепей на
3180 мкс и 318 мкс
Симметричный вход и
подключение звукоснимателя
Симметричный предусилитель
Возможности исключения
линейного каскада
Вариант RIAA с исполь-
зованием лампы типа ЕС8010
Оптимизация характеристик
входного трансформатора
Анализ работы блока RIAA
Практические методы
настройки блока RIAA
Линейный каскад
О межблочных и
акустических кабелях

 

 
 

Магнетрон

Магнетроны представляют собой важнейшие электронные приборы для генерации колебаний СВЧ большой мощности. Они применяются в передатчиках радиолокационных станций, в ускорителях заряженных частиц, для высокочастотного нагрева и в других случаях. В результате совместного действия электрического и магнитного полей на потоки электронов в магнетронах возникает генерация колебаний высокой частоты. В настоящее время широкое распространение получили многорезонаторные магнетроны, идея создания которых была выдвинута М. А. Бонч-Бруевичем, а первые образцы построены и испытаны Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым.

Устройство магнетрона

Рис. 25.6. Устройство магнетрона

 

Резонаторы магнетрона в виде четвертьволновых короткозамкнутых линий

Рис. 25.7. Резонаторы магнетрона в виде четвертьволновых короткозамкнутых линий

 

Магнитная связь между соседними резонаторами

Рис. 25.8. Магнитная связь между соседними резонаторами

 

Устройство магнетрона показано на рис. 25.6. Он представляет собой диод с анодом особой конструкции. Катод в большинстве случаев применяется оксидный подогревный с большой площадью поверхности. На торцах катода расположены диски, препятствующие движению электронов вдоль оси. Анод сделан в виде массивного медного блока. Вакуумное пространство между катодом и анодом называется пространством взаимодействия. В толще анода размещается четное число, например восемь, резонаторов, представляющих собой цилиндрические отверстия, соединенные щелью с пространством взаимодействия. Щель выполняет функцию конденсатора. На ее поверхностях образуются переменные электрические заряды, а в самой щели возникает электрическое поле. Индуктивностью резонатора служит цилиндрическая поверхность отверстия, которая эквивалентна одному витку. Большая площадь поверхности витка приводит к уменьшению активного сопротивления и индуктивности. Такой резонатор представляет собой нечто среднее между колебательной системой с сосредоточенными параметрами и четвертьволновой резонансной линией. В некоторых типах магнетронов резонаторы делают в виде щели глубиной в четверть волны (рис. 25.7).

Все резонаторы магнетрона сильно связаны друг с другом, вследствие того что переменный магнитный поток одного резонатора замыкается через соседние резонаторы (рис. 25.8). Кроме того, резонаторы соединяют друг с другом посредством проводов, называемых связками (см. рис. 25.6).

Наружная часть анода обычно делается в виде ребристого радиатора для лучшего охлаждения. Иногда его обдувают воздухом. С боковых сторон к аноду припаяны медные диски, образующие вместе с анодом баллон, необходимый для сохранения вакуума. Выводы от подогревателя проходят в стеклянных трубках, спаянных с анодом. Катод обычно подключен к одному из выводов подогревателя.

Для отбора энергии колебаний вводится в один из резонаторов виток связи, соединенный с коаксиальной линией. Ее вывод также проходит через стеклянную трубку. Благодаря сильной связи между резонаторами энергия отбирается от всех резонаторов. Вместо коаксиальной линии для вывода энергии на очень коротких волнах используется волновод, соединенный с резонатором через щель. Иногда также применяют коаксиально-волноводный вывод.

Магнетрон с внешней магнитной системой 1 — вывод СВЧ; 2 —радиатор; 3 — магнит; 4 — вывод подогревателя

Рис. 25.9. Магнетрон с внешней магнитной системой 1 — вывод СВЧ; 2 —радиатор; 3 — магнит; 4 — вывод подогревателя

 

Влияние магнитного поля на движение электронов в магнетроне

Рис. 25.10. Влияние магнитного поля на движение электронов в магнетроне

 

Вращающееся электронное «облачко» в магнетроне при отсутствии колебаний

Рис. 25.11. Вращающееся электронное «облачко» в магнетроне при отсутствии колебаний

 

Анод магнетрона имеет высокий положительный потенциал относительно катода. Так как анод служит корпусом магнетрона, то его обычно заземляют, а катод находится под высоким отрицательным потенциалом. Между анодом и катодом создается ускоряющее поле, силовые линии которого расположены радиально, как в диоде с цилиндрическими электродами. Вдоль оси магнетрона действует сильное постоянное магнитное поле, созданное магнитом, между полюсами которого располагается магнетрон. Один из вариантов магнитной системы показан на рис. 25.9. В так называемых пакетированных магнетронах постоянные магниты входят в конструкцию самого магнетрона.

Рассмотрим сначала движение электронов в магнетроне, предполагая, что колебаний в резонаторах нет. Для упрощения изобразим анод без щелей (рис. 25.10). Под влиянием ускоряющего электрического поля электроны стремятся лететь по силовым линиям, т. е. по радиусам, к аноду. Но как только они набирают некоторую скорость, постоянное магнитное поле, действующее перпендикулярно электрическому полю, начинает искривлять их траектории. Так как скорость электронов постепенно нарастает, то радиус этого искривления постепенно увеличивается. Поэтому траектория электронов будет сложной кривой. На рисунке показаны траектории электрона, вылетевшего из катода с ничтожно малой начальной скоростью, для разных значений магнитной индукции В. Анодное напряжение при этом одно и то же.

Если В = 0, то электрон летит по радиусу 1. При магнитной индукции, меньшей некоторого критического значения Вкр, электрон попадает на анод по криволинейной траектории 2. Критическая магнитная индукция Вкр соответствует более искривленной траектории 3. В этом случае электрон пролетает у поверхности анода, почти касаясь ее, и возвращается на катод. Наконец, если В > Вкр, то электрон еще круче поворачивает обратно где-то в промежутке между анодом и катодом (кривая 4) и возвращается на катод.

Магнетроны работают при магнитной индукции, несколько большей критической. Поэтому электроны при отсутствии колебаний пролетают близко к поверхности анода, но на различных расстояниях от нее, так как при вылете из катода они имеют различную начальную скорость. Поскольку движется очень большое число электронов, то можно сказать, что вокруг катода вращается электронный объемный заряд в виде кольца — электронное «облачко» (рис. 25.11). Конечно, электроны не находятся в нем постоянно. Ранее вылетевшие электроны возвращаются на катод, а на их место из катода вылетают новые электроны. Скорость вращения электронного «облачка» зависит от анодного напряжения, с увеличением которого электроны пролетают около анода с большей скоростью. Чтобы электроны не попадали на анод, необходимо увеличивать при этом и магнитную индукцию.

Вращающийся электронный объемный заряд, образованный совместным действием постоянных электрического и магнитного полей, взаимодействует с переменными электрическими полями резонаторов и поддерживает в них колебания. Процесс взаимодействия весьма сложен, поэтому он будет рассмотрен лишь приближенно.

Прежде всего выясним вопрос о возникновении колебаний в резонаторах. Так как все резонаторы сильно связаны друг с другом, то они представляют собой сложную колебательную систему, имеющую несколько собственных частот. Когда электронный поток впервые начинает вращаться около щелей резонаторов (например, при включении анодного напряжения), то в резонаторах появляются импульсы наведенного тока и возникают затухающие колебания. Они могут иметь разную частоту и фазу. Например, если система симметрична, то в резонаторах должны возникнуть колебания, совпадающие по фазе. Однако полной симметрии быть не может. Поэтому возникают и другие колебания с фазовым сдвигом между собой.

Основной тип колебаний, дающий наибольшую полезную мощность и наиболее высокий КПД,— колебания в соседних резонаторах с фазовым сдвигом 180° (колебания π-вида). На рис. 25.12 изображены силовые линии переменных электрических полей для таких колебаний и знаки переменных потенциалов на сегментах анода, а также направления токов, протекающих по поверхности резонаторов. Так как роль постоянного электрического поля, ускоряющего электроны и дающего им кинетическую энергию, известна, то для упрощения это поле не показано.

Для противофазных колебаний очень сильна индуктивная связь между резонаторами, за счет того что магнитный поток из одного резонатора переходит в соседние резонаторы (см. рис. 25.8). Магнетроны, как правило, работают с этим типом колебаний, и приняты меры для того, чтобы такие колебания возбуждались как можно легче. С этой целью применяют связки, т. е. соединяют проводами через один сегменты анода, имеющие переменные потенциалы одного знака. Возникающие колебания других типов обычно быстро затухают.

Путь «вредного» (А) и «полезного» (Б) электрона в магнетроне при колебаниях в резонаторах

Рис. 25.12. Путь «вредного» (А) и «полезного» (Б) электрона в магнетроне при колебаниях в резонаторах

 

Взаимодействие электронов с переменным электрическим полем таково, что при правильном режиме электронный поток отдает полю больше энергии, чем отбирает от него. Это именно и нужно для превращения возникших в резонаторах колебаний в незатухающие. Передаче энергии от электронного потока в резонаторы способствуют следующие явления.

Прежде всего переменное электрическое поле как бы сортирует электроны на «полезные» и «вредные», причем «вредные» электроны быстро удаляются из пространства взаимодействия, возвращаясь на катод. Рассмотрим этот процесс.

Для электронов, движущихся по часовой стрелке (рис. 25.12), электрические поля резонаторов 1, 3, ...— ускоряющие, а поля резонаторов 2, 4, ... — тормозящие. Через полпериода эти поля поменяются местами. На рисунке показаны траектории двух электронов. Электрон А попадает в ускоряющее поле и отбирает энергию от резонатора, т. е. представляет собой «вредный» электрон, но он пролетает далеко от щели резонатора и возвращается на катод. При наличии одного постоянного поля этот электрон летел бы по траектории, показанной штрихами. Но поле резонатора 1 усиливает искривление пути электрона и увеличивает его энергию: он преодолевает действие постоянного поля и возвращается на катод. «Вредные» электроны бомбардируют катод и увеличивают его нагрев. С этим явлением в магнетронах приходится считаться. Для того чтобы не было перекала катода, во время обычно уменьшают напряжение накала. Кроме того, поверхность катода необходимо делать более прочной, чтобы предотвратить ее разрушение ударами электронов.

Более сложным оказывается путь «полезного» электрона Б, попавшего в тормозящее переменное поле резонатора 2. Такой электрон отдает часть своей энергии резонатору и уже не имеет энергии, достаточной для того, чтобы вернуться на катод. Он теряет полностью свою энергию в какой-то точке пространства взаимодействия, не долетев до катода, а затем снова ускоренно летит к аноду, и одновременно траектория его искривляется под действием магнитного поля.

Если в магнетроне правильно подобрано анодное напряжение и магнитная индукция, то время пролета «полезного» электрона от одной щели до другой составляет полпериода. Такой электрон, приблизившись к щели резонатора 3, опять окажется в тормозящем переменном поле, так как через полпериода у этого резонатора ускоряющее поле изменится на тормозящее. Следовательно, электрон снова отдаст часть энергии резонатору и проделает еще меньший путь по направлению к катоду. В конце концов, израсходовав значительную часть энергии, электрон попадает на анод. Рассмотренная траектория «полезного» электрона, конечно, только приближенная.

«Полезные» электроны отдают резонаторам больше энергии, чем отнимают ее от резонаторов «вредные» электроны. Действительно, «вредный» электрон отнимает энергию только у одного резонатора, причем этот электрон пролетает довольно далеко от щели, т. е. в слабом переменном поле. Он отнимает небольшую энергию. А «полезный» электрон отдает энергию двум резонаторам и пролетает ближе к их щелям, т. е. в более сильном переменном поле.

Передаче энергии от электронов к резонаторам способствует модуляция электронного потока, напоминающая модуляцию в двухрезонаторном клистроне. Каждый предыдущий резонатор в магнетроне служит модулятором для вращающегося электронного облака, а каждый следующий резонатор — уловителем. Однако процесс модуляции здесь сложнее, чем в клистроне. В двухрезонаторном клистроне электронный поток, движущийся поступательно, подвергается скоростной модуляции и разбивается на отдельные сгустки (группируется). Последний процесс совершается в пространстве дрейфа, где нет электрического и магнитного поля.

Вращающееся электронное «облачко» в магнетроне при колебаниях в резонаторах

Рис. 25.13. Вращающееся электронное «облачко» в магнетроне при колебаниях в резонаторах

 

В магнетроне вращающийся электронный поток также подвергается действию переменного электрического поля данного резонатора и за счет этого осуществляется модуляция скорости электронов. Но это поле не однородное, как в клистроне. Поэтому оно меняет не только скорость, но и траекторию движения электронов. Процесс усложняется тем, что происходит в радиальном постоянном электрическом поле, которое изменяет скорость электронов и совместно с постоянным магнитным полем влияет на их траекторию.

В результате скоростной модуляции и изменения траекторий электронов вращающееся электронное «облачко» из кольцевого превращается в зубчатое. Оно напоминает колесо со спицами, но без обода (рис. 25.13). Число электронных «спиц» равно половине числа резонаторов. Конечно, резких переходов от этих «спиц» к промежуткам между ними нет. «Спица» представляет собой сгущение электронного потока в результате скоростной модуляции и из-за различных траекторий «полезных» и «вредных» электронов. А между сгущениями имеются более разреженные области.

Электронное «облачко» при правильном режиме магнетрона вращается с такой скоростью, что «спицы» проходят мимо щелей в тот момент, когда там существует тормозящее поле. Промежутки между «спицами», наоборот, проходят через ускоряющие поля. В итоге происходит отдача электронным «облачком» энергии резонаторам и потеря энергии на разогрев катода и анода от электронной бомбардировки. Вся эта энергия потребляется от анодного источника.

Существует следующая зависимость между числом резонаторов N, магнитной индукцией В и частотой генерируемых колебаний f:

NB = af, (25.2)

где а — коэффициент, зависящий от конструкции.

А магнитная индукция связана с анодным напряжением формулой

В = b Uа, (25.3)

где b — постоянная величина.

Из формул видно, что для более высоких частот нужно иметь больше резонаторов или увеличивать магнитную индукцию и анодное напряжение.

Обычно магнитная индукция составляет от 0,1 до 0,5 Тл. Для импульсной работы в дециметровом диапазоне магнетроны строят на мощность в десятки тысяч киловатт, а в сантиметровом — в тысячи киловатт. В самых мощных магнетронах анодное напряжение в импульсе достигает десятков киловольт, а анодный ток — сотен ампер. Магнетроны для непрерывного режима имеют мощность в десятки киловатт на дециметровых волнах и в единицы киловатт — на сантиметровых. В мощных магнетронах применяется принудительное, воздушное или водяное охлаждение; КПД мощных магнетронов может быть 70 % и даже выше при работе в дециметровом диапазоне, в сантиметровом диапазоне 30 — 60%.

Помимо магнетронов на фиксированную частоту делают настраиваемые магнетроны, в которых изменяется собственная частота резонаторов. С этой целью для получения более коротких волн вводят в резонаторы медные цилиндры, которые уменьшают индуктивность, а для получения более длинных волн — металлические пластинки, увеличивающие емкость. Такие методы дают изменение частоты не более чем на 10—15%. Выполнение подобных устройств представляет известные трудности, так как находятся эти устройства в вакууме, а управляться должны извне.

Принцип устройства коаксиального магнетрона

Рис. 25.14. Принцип устройства коаксиального магнетрона

 

Электронная перестройка частоты магнетрона основана на том, что эта частота зависит от анодного тока. Изменение анодного тока на 1 А может дать изменение частоты до нескольких десятков мегагерц. Но в обычных магнетронах такая электронная настройка не получила широкого применения.

Однако существует особый тип магнетронов — магнетроны, настраиваемые напряжением (митроны), в которых, изменяя анодное напряжение и соответственно анодный ток, можно получить даже двукратное изменение частоты. Конструкция их несколько отличается от конструкции обычных магнетронов. Особенность этих магнетронов в том, что анодный ток у них ограничен за счет ослабления эмиссии катода (недокала катода) и имеется внешний резонатор с низкой добротностью, т. е. с широкой полосой частот. В непрерывном режиме работы при изменении частоты в два раза эти магнетроны дают выходную мощность в единицы ватт. А при меньших изменениях частоты (5 — 20%) они могут давать мощность в десятки ватт.

Обычные магнетроны не обладают достаточно высокой стабильностью частоты и фазы. Значительно более стабильные колебания π-вида могут быть получены в так называемых коаксиальных магнетронах (рис. 25.14). В таких магнетронах снаружи анодного блока расположен объемный резонатор высокой добротности. Этот внешний резонатор имеет собственную частоту, равную частоте колебаний π -вида магнетрона, и связан с резонаторами анода посредством щелей, которые сделаны не в каждом резонаторе, а через один. В этом случае во всех резонаторах, связанных с внешним, получаются колебания с одинаковой фазой, а в соседних резонаторах колебания будут противофазными.

Для наиболее коротких сантиметровых волн удобен обращенный коаксиальный магнетрон, у которого катод и анод переставлены местами. Катод выполнен в виде наружного цилиндра, и с его внутренней поверхности эмитируются электроны. Анод с резонаторами расположен внутри катода. А внутри анода находится высокодобротный объемный резонатор, служащий для стабилизации колебаний и связанный щелями с резонаторами анодного блока.

К новым типам магнетронных приборов относится ниготрон, который предложил академик П. Л. Капица. Ниготрон представляет собой цилиндрический объемный резонатор, вдоль оси которого действует постоянное магнитное поле. Внутри этого резонатора расположены коаксиально катод и анод, причем каждый из них сделан в виде системы сегментов. Высокая добротность основного резонатора обеспечивает необходимую стабильность частоты колебаний. На дециметровых волнах при непрерывном режиме работы ниготрон может давать выходную мощность 100 кВт и даже более при КПД до 50%.

 

 

 

Информация 2018

 

Продолжение

Недостатки, свойственные усилительному клистрону, в значительной степени устраняются в лампе бегущей волны (ЛБВ) и лампе обратной волны (ЛОВ).

Усиление и КПД в ЛБВ могут быть значительно выше, чем в клистроне. Это объясняется тем, что электронный поток в ЛБВ взаимодействует с переменным электрическим полем на большом участке пути и отдает значительную часть энергии на усиление колебаний. Электронный поток в ЛБВ гораздо слабее чем в клистроне, и поэтому уровень шумов сравнительно невелик. Полоса пропускаемых частот может быть широкой, так как в самой ЛБВ нет колебательных систем. Коэффициент перекрытия по частоте составляет 2 — 4. Ширина полосы ограничивается не лампой, а дополнительными устройствами, служащими для связи лампы с внешними цепями. Лампы для частот в тысячи мегагерц имеют полосу в сотни мегагерц, что вполне достаточно для радиолокации и всех видов современной радиосвязи.

Устройство ЛБВ О-типа показано схематически на рис. 25.15. В левой части удлиненного баллона помещен электронный прожектор с подогревным катодом К, фокусирующим электродом ФЭ и анодом А. Электронный луч, созданный прожектором, проходит далее внутри замедляющей системы (например, в виде проволочной спирали), выполняющей роль внутреннего провода коаксиальной линии. Наружным проводом служит металлическая трубка Т. Спираль укреплена на специальных изоляторах (для упрощения они не показаны). Фокусирующая катушка ФК, питаемая постоянным током, служит для сжатия электронного луча по всей его длине, чтобы предотвратить увеличение поперечных размеров луча из-за взаимного отталкивания электронов. Вместо катушки для фокусировки могут быть применены также постоянные магниты. Так как магнитные фокусирующие системы громоздки, то в последнее время разработаны электро-статические способы фокусировки электронного луча в ЛБВ, т. е. фокусировка электрическим полем.

Усиливаемые колебания подводят к ЛБВ с помощью входного волновода В1 в котором помещен приемный штырек Ш1 представляющий собой начало спирали. На конце спирали имеется штырек Ш2, возбуждающий колебания в выходном волноводе В2. Плунжеры П1 и П2 служат для согласования волноводов со спиралью, т. е. для того, чтобы вдоль спирали распространялась бегущая волна. Электронный луч, пройдя сквозь спираль, попадает на коллектор К´. Спираль электрически соединена с коллектором. В ЛБВ для частот до 4000 МГц связь спирали с внешними цепями осуществляют посредством коаксиальных линий, так как волноводы для этих частот слишком громоздки.

Спираль конструируется обычно так, что фазовая скорость волны вдоль оси спирали υф ≈ 0,1с = 0,1 · 300 000 = 30 000 км/с. Обычно в спирали десятки или сотни витков. Для сантиметровых волн длина спирали может быть 10—30 см, а ее диаметр несколько миллиметров.

На рис. 25.16 показана картина электрического поля внутри спирали для случая, когда длина волны соответствует шести виткам. Сама спираль изображена в разрезе. Знаками «плюс» и «минус» показано распределение потенциалов на проводе спирали, причем жирные знаки соответствуют более высокому потенциалу. Изображено поле в какой-то определенный момент времени. Так как волна бежит по спирали, то поле вращается вокруг ее оси и перемещается вдоль этой оси со скоростью υф. Существует, конечно, еще электрическое поле между спиралью и внешней металлической трубкой, не показанное на рисунке, но оно не взаимодействует с электронным лучом. Вокруг витков спирали есть также переменное магнитное поле, но между ним и электронами также нет энергетического взаимодействия.

Скорость электронов, попадающих в спираль, должна быть немного больше υф, т.е. она тоже примерно 0,1с. Это достигается тем, что напряжение анода устанавливается несколько большим 2500 В. В результате взаимодействия электронного луча с электрическим полем бегущей волны происходит модуляция электронов по скорости и группирование их в сгустки. Иначе говоря, плотность луча становится неравномерной и в нем появляются участки большей плотности, отделенные друг от друга разреженными участками.

Рассматривая рис. 25.16, нетрудно заметить, что участок АБ спирали (на протяжении одной полуволны) создает для электронов тормозящее поле, а участок БВ (на протяжении другой полуволны) — ускоряющее поле. Вдоль спирали чередуются участки ускоряющего и тормозящего поля. Если в начале спирали в данный момент времени оказывается участок тормозящего поля, то электроны в нем тормозятся и далее продолжают двигаться в пределах того же участка к концу спирали, группируясь в более плотные сгустки. Постепенно уменьшая скорость, они все время отдают энергию полю, усиливая бегущую волну. Если же электроны в начале спирали влетают в участок ускоряющего поля, то они увеличивают свою скорость и, обгоняя поле, постепенно переходят в следующий участок, где поле тормозящее. Хотя эти электроны, попав сначала в ускоряющее поле, отнимут от бегущей волны некоторую энергию, далее они возвращают ее волне, так как переходят на участок тормозящего поля.

Таким образом, на участках тормозящего поля образуются электронные сгустки, отдающие все время энергию волне. Поэтому на протяжении всей спирали электроны отдают бегущей волне значительную энергию. Амплитуды тока и напряжения бегущей волны по мере ее перемещения к концу спирали увеличиваются. При этом усиливается ускоряющее и тормозящее поле волны, а значит, и эффект группирования электронов. Но тогда увеличивается и отдача энергии электронами. В результате такого постепенно усиливающегося процесса на выходе получаются значительно усиленные колебания. Энергию, отдаваемую бегущей волне, сами электроны получают от источника анодного питания.

При большом усилении и неполном согласовании спирали с волноводами появляется волна, отраженная от выходного конца спирали. Дойдя до входного конца, такая волна снова отражается, усиливается, затем опять отражается от выходного конца и т. д. В результате возникает самовозбуждение, т.е. ЛБВ начинает генерировать собственные колебания, что недопустимо при усилении. Для устранения этого явления часть спирали в начале или середине делают из провода высокого сопротивления, чтобы поглотить энергию отраженной волны. Часто для поглощения поверхность баллона или изоляторы, поддерживающие спираль, покрывают слоем графита.

В ЛБВ для наиболее коротких сантиметровых волн спираль заменяют замедляющими волноводными системами различного типа, так как трудно изготовить спираль очень малых размеров. Подобные замедляющие системы применяются также в мощных ЛБВ, так как спираль не может выдержать рассеяния в ней большой мощности. ЛБВ со спиральной замедляющей системой делают на выходные мощности до 1 кВт и частоты до 10 ГГц.

В настоящее время разработано много различных ЛБВ, применяемых в качестве входных, промежуточных и выходных широкополосных усилителей. Наличие гармоник в токе пучка позволяет использовать ЛБВ в умножителях частоты.

 
 
Сайт создан в системе