Дипломная работа: Применение магнетронных генераторов большей мощности в радиолокационных системах

1.4 Рабочие и нагрузочные характеристики магнетронов

При рассмотрении эксплуатационных свойств магнетронов используют две группы характеристик. К первой относятся вольтамперные характеристики, снятые при неизменной нагрузке, соответствующей режиму согласования выходного устройства магнетрона. Параметрами при снятии характеристик являются магнитная индукция В, генерируемая мощность Р_ген , частота генерируемых колебаний и полный к. п. д. (). Ко второй группе относятся зависимости генерируемой мощности и частоты от полного сопротивления (полной проводимости) нагрузки.

Вольтамперные характеристики магнетрона, снятые при условиях В = const, Р_ген = const, = const или = const, носят название рабочих характеристик. Эти характеристики принято строить в прямоугольной системе координат, по вертикальной оси которой откладывается постоянное анодное напряжение, а по горизонтальной оси — постоянный анодный ток магнетрона.

Нагрузочные характеристики и при , как и для других типов автогенераторов СВЧ, удобно строить на комплексной плоскости полного сопротивления нагрузки в полярной системе координат.

Расчета нагрузочных и рабочих характеристик магнетронов обычно не производят. Тем не менее, форма этих характеристик непосредственно обусловливается физическими процессами, происходящими в магнетроне, и может быть качественно получена из простых соображений.

Рассмотрим идеализированные рабочие характеристики, которые можно предположить, если исходить из описанных свойств магнетронов типа бегущей волны.

Семейство кривых постоянной генерируемой мощности Р_ген = const можно получить из следующих соображений. Генерируемая мощность магнетрона, как и всякого электронного прибора, связана с постоянным анодным напряжением, постоянным анодным током и к. п. д. соотношением . Его можно переписать в виде

.

Отсюда следует, что если бы к. п. д. магнетрона оставался неизменным и не зависел от , то при Р_ген = constвольтамперные-характеристики имели бы вид равнобочных гипербол. Однако с ростом электронный к. п. д. несколько уменьшается, так как при этом повышается амплитуда СВЧ колебаний и увеличивается доля мощности, рассеиваемой на аноде в конце последнего витка циклоидальной траектории. Поскольку к. п. д. резонаторной системы, естественно, остается неизменным, то с увеличением тока линии постоянной мощности отклоняются от гипербол и несколько поднимаются, как показано качественно на рис. 1.5.

Чем больше генерируемая мощность, тем выше и правее должны располагаться кривые Р_ген = const.

Рисунок 1.5 - Идеализированные рабочие характеристики магнетронного генератора

Таким образом, вольтамперные характеристики магнетрона при В = const имеют вид семейства кривых с круто возрастающим начальным участком, показанным пунктиром на рис. 1.5, б. Далее следуют излом и почти горизонтальный участок, имеющий небольшой наклон к оси абсцисс и характеризующий работу магнетрона в генераторном режиме.

Типичные рабочие характеристики импульсного магнетрона 10-см диапазона приведены на рис. 1.6. Кроме кривых Р_ген = const и В = const, на этом графике показаны семейства кривых постоянного к. п. д. и постоянной генерируемой частоты. Рабочая точка магнетрона лежит в верхнем правом углу рассматриваемого графика.

Из рисунка 1.6 видно, что опытные кривые хорошо согласуются с обсуждавшимися ранее идеализированными характеристиками. Такое совпадение может рассматриваться как подтверждение правильности сделанных основных качественных предположений о механизме работы магнетрона.

По своему характеру нагрузочные характеристики магнетронов сходны с нагрузочными характеристиками других автогенераторов СВЧ с резонансной колебательной системой, например, отражательных клистронов. Такое сходство обусловлено тем, что затягивание частоты под действием внешней нагрузки обычно значительно меньше разделения видов.

Рисунок 1.6 - Типичные рабочие характеристики импульсного магнетрона 10-см диапазона

В качестве фиксированных параметров при определении нагрузочных характеристик магнетрона выбираются номинальные значения магнитной индукции В и постоянного анодного тока . Иногда (при особенно высокой мощности) во избежание пробоев при больших значениях коэффициента стоячей волны снятие нагрузочных характеристик производится при пониженной мощности. В качестве начала отсчета фазы стоячей волны обычно выбирается выходной фланец магнетрона.

Типичная нагрузочная характеристика импульсного магнетрона 3-см диапазона приведена на рисунке 1.7. Линии постоянной генерируемой мощности близки к окружностям постоянной активной проводимости нагрузки. Линии постоянной частоты имеют веерообразное расположение и близки к линиям постоянной реактивной проводимости на круговой диаграмме полных проводимостей в полярной системе координат.

Важным параметром магнетронов является степень затягивания частоты, определяемая при коэффициенте стоячей волны, равном 1,5(см. рис. 1.7).

Рисунок 1.7 - Пример реальной нагрузочной характеристики импульсного магнетрона 3-см диапазона

Этот параметр, встречающийся при рассмотрении любого автогенератора СВЧ, приобретает в случае магнетронов особую актуальность, так как магнетроны часто связываются с нагрузкой без развязывающих ослабителей. Обычно степень затягивания F ₃ для магнетронов 10-см диапазона составляет 10—15 Мгц; в 3-см диапазоне степень затягивания может доходить до 15—20 Мгц. Допустимая степень затягивания находится в тесной связи с возможностями схемы автоматической подстройки частоты, использующейэлектронную настройку гетеродина — отражательного клистрона.

Основываясь на общих уравнениях затягивания частоты, можно найти соответствующие значения внешней добротности магнетрона на рабочем виде колебаний.

(1.17)

Через v ₀ здесь обозначена генерируемая частота при согласованной нагрузке, примерно равная резонансной частоте "холодного" блока на рабочем виде колебаний. Обычно учитывается также, что линии Р_ген = const и = const на рис. 1.7 пересекаются под углом, отличным от . В этом случае в правой части уравнения (1.17) вводится дополнительный эмпирический множитель, равный приблизительно 1,05.

Вычислим для примера требующуюся внешнюю добротность магнетрона, предназначенного для работы на волне 3,2 см. Задаваясь допустимой степенью затягивания, равной 20 Мгц, получаем по (1.17) : . Именно такие и несколько более высокие значения типичны для современных магнетронов.

1.5 Конструирования магнетронов