Короткі відомості про магнетронний генератор

 

Сьогодні одним із основних типів автогенераторів НВЧ діапазону є багаторезонаторний магнетрон. Основа конструкції магнетрона - анодний блок - згорнута в кільце система резонаторів, зв'язаних між собою та з навантаженням. Всередині анодного блоку коаксіально з ним розташований циліндричний катод. В утвореній між ними кільцевій порожнині - просторі взаємодії, рухається електронний потік магнетрона.

Важливою особливістю магнетрона є присутність двох схрещених полів: радіального електричного між анодом та катодом та аксіального магнітного. При достатній інтенсивності магнітного поля в результаті сумісної дії двох схрещених постійних полів електронний потік набирає направлену вздовж анодного блоку швидкість, середнє значення якої визначається тільки напруженістю електричного поля та індукцією магнітного поля .

Крім постійного електричного та магнітного полів в просторі взаємодії існує високочастотне поле резонаторів, яке в загальному випадку має радіальну та тангенціальну складові. Звичайно в магнетронах використовується такий розподіл високочастотного поля вздовж анодного блоку, при якому коливання в двох сусідніх резонаторах протифазні (режим "коливань -виду"). При цьому радіальна і тангенціальна складові цього поля утворюють дві синфазні стоячі хвилі, зсунуті в просторі на періоду, рівного відстані між сусідніми резонаторами.

Збудження коливань в магнетроні здійснюється за рахунок віддачі енергії електронами, які рухаються у вигляді окремих згустків, при гальмуванні їх тангенціальної складової високочастотного поля.

пов'язане з дією радіального ВЧ поля.

Якщо стоячу хвилю представити як суперпозицію двох біжучих хвиль, які поширюються в протилежних напрямках з фазовими швидкостями , та якщо при цьому по відношенню до однієї з біжучих хвиль виконується умова синхронізму , то гальмування електронних згустків, яке супроводжується передачею кінетичної енергії електронів ВЧ полю, буде здійснюватись на всіх етапах руху електрона в згустку.

Одночасне переміщення електрона в радіальному напрямку від катода до анода супроводжується зменшенням потенціальної енергії електрона, яка є безпосереднім джерелом його кінетичної енергії.

 

Вплив напруг живлення та величини магнітного поля на режим генератора:

Залежність напруги на аноді магнетрона , ККД та потужності в навантаженні від постійної складової струму магнетрона при різноманітних значеннях напруженості магнітного поля схематично показана на рис. 1.1.

Спираючись на ці залежності, неважко отримати робочі характеристики магнетрона, які зазвичай приводяться в літературі.

Характерною особливістю залежності при (вольт-амперні характеристики) є те, що зі збільшенням напруженості магнітного поля необхідно збільшувати анодну напругу . Це визначається умовою синхронізму. При даному виді коливань фазова швидкість гальмуючої хвилі - константа, яка визначається конструкцією магнетрону. Тому збільшення вимагає пропорціонального збільшення . Характеристика при має невеликий схил. Це пояснюється тим, що приріст анодної напруги необхідний для компенсації впливу об'ємного заряду та згустків при збереженні синхронності руху останніх.

Загальний ККД магнетрона визначається електронним ККД та ККД коливальної системи :

 

При зміні напруг живлення залишається постійним, тому залежність визначається виразом .Електронний ККД характеризує відношення коливальної потужності генератора та потужності, яка підводиться від джерела анодної напруги. Частина підведеної потужності споживається на розігрів анода та катода магнетрона. Для якісної оцінки залежності від напруг живлення можна враховувати тільки втрати на аноді, так як потужність зворотнього "бомбардування" електронами катода складає звичайно 5-10% вихідної потужності магнетрону.

Рис. 1.1. Робочі характеристики магнетронного генератора

 

Вираз для має вигляд:

,

де - маса електрона; - середня швидкість руху електрона в згустку; - заряд електрона.

Чисельник характеризує потужність, яка виділяється електронами при ударі об анод, знаменник - потужність, яка споживається від джерела анодної напруги . З умови синхронізму видно, що середня швидкість електронів має залишатись постійною, тому більшим значенням , а значить, більшим відповідають й більш високі .

Залежність ККД магнетрону від постійної складової анодного струму є немонотонною. При фіксованому значенні анодної напруги ККД магнетрону зі збільшенням анодного струму спочатку зростає, а потім падає. Така зміна ККД визначається характером взаємодії електронного потоку зі змінним електричним полем. При малих струмах змінне поле резонаторів, а відповідно і його радіальна складова, яка визначає фокусуючу дію поля, надто малі, щоб згрупувати його в "спиці". При цьому значна частина електронного потоку знаходиться в фазі, яка несприятлива з точки зору взаємодії електронів тангенціальною складовою змінного поля. При дуже великих струмах фокусуюча дія радіальної складової достатньо велика, однак вона послаблюється дефокусуючою дією сил просторового заряду, внаслідок його високої густини.

Внаслідок того, що потужність в навантаженні при постійних та - залежність має бути лінійна. Однак та зі зміною струму теж змінюються. Із збільшенням напруженості магнітного поля нахил прямих зростає, оскільки збільшення вимагає збільшення , при цьому збільшується |.

Вплив навантаження на режим магнетронного генератора:

Робочі характеристики описують поведінку магнетронних автогенераторів в режимі роботи на активне навантаження номінальної величини. Насправді опір навантаження може відхилюватись від своєї номінальної величини. Опором навантаження магнетронних генераторів є вхідний опір фідерів або хвилеводів. Вплив навантаження на величину потужності, яка віддається в навантаження, та генеровану частоту описується навантажувальними характеристиками.

Коливальна система магнетронного генератора з деяким наближенням може бути представлена еквівалентною схемою (рис. 1.2), де та - відповідно індуктивність та ємність еквівалентного контуру; - резонансна провідність контуру, яка визначається втратами у стінках резонатора; та - активні та реактивні складові провідності, які внесені в контур з боку навантаження; , - відповідно амплітуда струму та напруги на еквівалентному контурі. Оскільки зв’язок резонаторів з навантаженням та частота не регулюються, можна вважати, що та пропорційні активній та реактивній вхідним провідностям передаючого тракту. Вхідний опір лінії, який навантажує магнетрон:

,

де та - відповідно модуль та фаза коефіцієнта відбиття; - відстань від першого мінімуму до фланця хвилеводу.

Рис. 1.2. Еквівалентна схема магнетронного генератора.

Якщо перейти до провідності та відділити дійсну та уявну частини, то неважко отримати вирази для активної та реактивної складових вхідної провідності:

, ,

 

де - коефіцієнт стоячої хвилі.

Залежність та від фази коефіцієнта відбиття при різних показані на рис 1.3.

а	б
Рис.1.3. Активна (а) та реактивна (б) вхідні провідності тракту передачі.

 

В магнетронному генераторі напруга в резонаторах мало залежить від навантаження. Це дозволяє в першому наближенні вважати, що контур живиться від генератора напруги. Так потужність вказується пропорційною активній провідності навантаження:

 

, , ,

 

де - коефіцієнт зв’язку.

Залежність при різних буде мати такий же вигляд, як і вхідна активна провідність.

Якщо знехтувати зсувом фаз між першою гармонікою наведеного струму та напруги на резонаторах, то відхилення частоти автоколивань від резонансної частоти контуру буде пропорційне реактивній складовій вхідної провідності:

 

,

 

При здійснених допусках залежність частоти від фази коефіцієнта відбиття для різних буде повторювати хід графіків реактивної провідності. З характеристик видно, що при фіксованому значенні модуля коефіцієнта відбиття частота і потужність магнетрона є періодичними функціями фази коефіцієнта відбиття. Такий характер взаємозв'язку потужності та частоти буде спостерігатися, якщо зовнішнє навантаження, під'єднане на кінці лінії, залишити постійним, а змінювати в невеликих межах довжину лінії. В цьому випадку можна вважати модуль коефіцієнта відбиття таким, що періодично змінюється зі збільшенням довжини лінії.

Вплив навантаження на частоту магнетрона характеризує коефіцієнт затягування подвійне максимальне значення відхилення частоти при =1,5.

Навантажувальні характеристики зображуються зазвичай в полярних координатах, причому радіусом служить модуль коефіцієнта відбиття, а азимутом - його фаза.

Експериментальна установка складається з трьох основних вузлів: магнетронного блоку, блоку живлення та хвилеводно-вимірювального тракту (рис 1.4.). В блоці магнетрона передбачено примусовий обдув магнетрона, а також регулювання за допомогою пасивного шунта напруженості магнітного поля магнетрона.

Рис.1.4. Структурна схема установки для дослідження характеристик магнетронного генератора

 

Блок живлення дозволяє змінювати анодну напругу магнетрона в межах 500...600 В. В цьому ж блоці знаходяться елементи блокування та сигналізації. Система блокування автоматично відмикає анодну напругу при перевищенні струму магнетрону вище допустимого ( =80мА).

Увага! При спрацюванні системи блокування необхідно відвести шунт магніту й вивести до нуля ручку регулювання анодної напруги.

На передній панелі блоку живлення встановлені прилади, які контролюють постійну складову струму магнетрона й напруги анода магнетрона.

Хвилеводно-вимірювальний тракт складається з хвилеводної лінії передачі, навантаження та вимірювальних приладів. Роль навантаження виконує вхідний імпеданс трансформатора повних опорів на виході якого ввімкнена узгоджена поглинаюча вставка.

При виконанні першої частини лабораторної роботи - вивчення робочих характеристик магнетронного генератора - трансформатор повних опорів служить для узгодження вихідного опору генератора й опору хвилевого тракту. Критерієм узгодження є коефіцієнт стоячої хвилі, значення якого прямує до одиниці при покращенні узгодження опорів.

При виконанні другої частини лабораторної роботи - вивчення навантажувальних характеристик генератора трансформатора повних опорів є еквівалентом навантаження, в якому відносно просто регулюється та фаза коефіцієнта відбиття.

Основним робочим органом трансформатора опорів є дві кварцові пробки, які заповнюють поперечний переріз хвилеводу. За допомогою механізму з мікрометричним гвинтом та шкалою на краю каретки можна змінювати відстань між пробками (регулювання ) та пересовувати каретку вздовж хвилеводу (зміна фази коефіцієнта відбиття). Це пояснюється так: хвиля, яка поширюється по хвилеводу проходить через кварцові пробки; в кожній площині розділу між кварцом та повітрям відбувається відбиття хвиль, внаслідок різних хвилевих опорів кварцу та повітря; результуючий коефіцієнт стоячої хвилі буде визначатися коефіцієнтом стоячої хвилі системи пробок та відстанню між магнетроном та пробками, яка визначає фазу кожної з відбитих хвиль. Все вищесказане справедливе лише при повному узгодженні з поглинаючою вставкою.

В тракт вимірювальних приладів входить вимірювач потужності МЗ-10 (М4-2), хвилемір візуальний ВВ-1 чи резонансний частотомір (42-32).

Вимірювач потужності МЗ-10 (М4-2) призначений для вимірювання середнього значення потужності немодульованих НВЧ сигналів. Межі вимірювання потужності в діапазоні робочих частот: 50-7500 мкВт. Вимірювання НВЧ потужності в даній роботі треба проводити балансним методом. Вказівки по використанню вимірювача потужності МЗ-10 приведені в додатку 2 (частина 2).

Візуальний хвилемір ВВ-1 призначений для швидкого вимірювання частоти шляхом прямого відліку, він дає можливість бачити на індикаторі приладу всі генеровані частоти, які подають на вхід приладу. При підготовці приладу до роботи тумблер з маркуванням " непр " та " імп " поставити в положення " непр ", а ручкою вхідного атенюатора " послаблення " ввести повністю затухання, повернувши її праворуч до упору. Приступивши до вимірювання, необхідно ввімкнути механізм перестроювання, повертаючи по часовій стрілці ручку " швидкість перестроювання ". Потім поступово треба виводити затухання, повертаючи ручку " послаблення " вліво. При присутності в тракті коливань в діапазоні роботи приладу (8700-9999 МГц) в відповідному місці шкали повинен з'явитись спалах (світлова відмітка), який повторюється через кожний поворот диску. Регулюванням послаблення добиваються того, щоб світлова відмітка була по можливості чіткою.

Швидкість обертання диску трохи впливає на чіткість світлової відмітки та регулюється до отримання найбільш зручного відліку частоти. Треба, однак, уникати постійної роботи на максимальній швидкості для запобігання зношування приладу.

Вимірювання генерованої частоти за допомогою резонансного частотоміра відбувається шляхом прямого відліку по шкалі в МГц при настроюванні резонатора приладу на резонансну частоту ручкою " частота ". Настройка фіксується стрілковим приладом. Момент настроювання відповідає максимальному відхиленню стрілки приладу. Чутливість приладу регулюється ручкою " чутл ".