А) Назначение и устройство

Магнетрон входит в состав магнетронного генератора и является электровакуумным прибором, предназначенным для генерирования мощных электромагнитных колебаний в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн.

Магнетронный генератор состоит из магнетрона, магнита и источника питания.

В отличие от обычных генераторов, в которых управление электронным потоком осуществляется изменением только электрического поля в генераторной лампе, в магнетроне для управления электронным потоком, кроме того, используется постоянное магнитное поле, создаваемое внешним магнитом.

Современные многорезонаторные магнетроны позволяют получать высокие мощности колебаний СВЧ при высоком КПД. На частоте порядка 3000 МГц импульсная мощность генераторов на магнетроне достигает нескольких МВт, а КПД- 50-70 %. Поэтому магнетроны нашли широкое применение в передатчиках, в частности, в передатчиках радиолокационных станций различного назначения.

В настоящее время применяются исключительно многорезонаторные магнетроны, появление которых произвело переворот в технике генерирования мощных колебаний СВЧ.

Можно без преувеличения сказать, что бурное развитие и внедрение радиолокационных методов в различные области современной техники в значительной мере связано с созданием многорезонаторных магнетронов, позволивших успешно разрешить одну из труднейших проблем - получение мощных колебаний в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн.

С созданием магнетронов мощностью до нескольких МВт в импульсе появились РЛС дальнего и сверхдальнего обнаружения (Добн.=2500 км и более), построены передатчики, применяемые в астрономии для локации планет, а также в ускорителях элементарных частиц.

Идея создания таких магнетронов была впервые предложена М.А. Бонч-Бруевичем, а первые конструкции разработали советские инженеры Н.А. Алексеев и Д.Е. Маляров в 1938- 1939 гг.

Типичная конструкция многорезонаторного магнетрона показана на рис. 1.60, где:

1- катод;

2- анодный блок;

3- резонатор;

4- выводы накала;

5- ребра охлаждения;

6- петля связи;

7- высокочастотный вывод.

Рис 3.18. Конструкция многорезонаторного магнетрона

В качестве колебательной системы используется ряд объемных резонаторов, которые располагаются по окружности анода, образуя анодный блок, закрытый с обеих сторон крышками. Воздух из магнетрона тщательно выкачан.

Наиболее широкое применение получила колебательная система, состоящая из цилиндрических резонаторов, сообщающихся с внутренней полостью посредством прямоугольных щелей.

Такая конструкция наиболее проста в производстве, хотя добротность её несколько хуже колебательной системы с резонаторами лопаточного типа (рис.3.19.), которая обычно применяется в коротковолновой части сантиметрового диапазона.

Резонаторные системы дециметрового диапазона имеют обычно 8-12 резонаторов, сантиметрового - от 12 до 18, миллиметрового – до 40 резонаторов.

Эквивалентная схема колебательной системы магнетрона показана на рис. 3.20. Из рисунка видно, что колебательная система состоит из сильно связанных между собой резонаторов. Каждый резонатор в отдельности эквивалентен одному колебательному контуру, состоящему из «Lk» и «Ck». Щель при этом выполняет роль конденсатора «Ck». На её поверхностях при колебаниях образуются переменные электрические заряды, между которыми возникает переменное электрическое поле.

Рис 3.19. Резонатор лопаточного типа

Рис 3.20. Эквивалентная схема колебательной системы магнетрона

Индуктивностью резонатора «Lk» является поверхность отверстия, которая эквивалентна одному витку, сделанному из ленточного проводника. Большая поверхность витка уменьшает активное сопротивление.

Между отдельными резонаторами колебательной системы существует сложная связь: резонаторы связаны через емкости Ск- между сегментами анодного блока и катодом; общим магнитным потоком, охватывающим смежные резонаторы и, как мы увидим в дальнейшем, кроме того, общим электронным потоком (рис. 3.20.).

На рисунке 3.18. показаны и другие элементы магнетрона. В центре блока находится катод, поддерживаемый выводами подогревателя, которые вмонтированы в стеклянные трубки, впаянные в анодный блок с целью сохранения вакуума.

Рис 3.21. Электронный поток, охватывающий смежные резонаторы

Катод в большинстве случаев применяется оксидный, с подогревом, с большой поверхностью и имеет форму цилиндра. На концах катода установлены торцевые диски, улучшающие структуру электрического поля в пространстве между катодом и анодом (в пространстве взаимодействия, где, происходит обмен энергией между переменным электрическим полем резонаторов и электронным потоком).

Для вывода высокочастотной энергии, генерируемой магнетроном, в одном из резонаторов, имеется петля связи. Наличие сильной связи между резонаторами позволяет располагать петлю в любом из резонаторов. При этом отбор энергии будет осуществляться от всей колебательной системы в целом.

Анод магнетрона имеет высокий положительный потенциал относительно катода. Так как анод является корпусом магнетрона, то его обычно заземляют (удобно в эксплуатации), а катод находится под высоким отрицательным потенциалом. Наружная часть анода обычно делается в виде ребристого радиатора для лучшего охлаждения.

Во время работы магнетрон помещается в сильное магнитное поле, силовые линии которого должны быть направлены вдоль оси катода, т.е. они перпендикулярны электрическим силовым линиям.

Магнитное поле создается обычно постоянным магнитом, между полюсами которого устанавливается магнетрон

У перестраиваемых магнетронов должен быть еще и узел перестройки частоты.