fon1

Магнетрон: устройство и принцип работы.

На странице Клистрон: устройство и принцип работы этого раздела описан клистрон - специальный электроннолучевой прибор, служащий для генерирования сверхвысоких частот. Его работа основана на принципе фазового фокусирования электронного потока.
Область применения клистронов в наше время не очень велика: это УКВ - и телевизионные передатчики, радиолокаторы, устройства спутниковой связи. Их изготавливают в незначительных количествах. Но есть тип мощных СВЧ-приборов, которые применяются в тех же областях где и клистроны. Это магнетроны. И они являются так же главной деталью микроволновых печей, а их ежегодный выпуск достигает десятки миллионов.
В помещаемой ниже статье "Что такое магнетрон" автора А.И. Иоффе из журнала "Радио" за ... 1946 год (!) рассматривается принцип работы и описание устройства другого специального электронного прибора - магнетрона, используемого также для генерирования сверхвысоких частот. Конструкция рассматриваемого магнетрона несколько отличается от современных, но принцип работы не изменился.

"Что такое магнетрон"

Для получения дециметровых и сантиметровых волн в настоящее время широко применяются передатчики с магнетронами. Схемы с магнетронами дают возможность получать электромагнитные волны длиною до нескольких сантиметров при мощности колебаний от долей ватта до сотен киловатт (см.фото).
magnetron Магнетрон - это электронная лампа с двумя рабочими электродами: анодом и катодом. Управление электронным потоком осуществляется в нем не электрическим полем, как в обычной электронной лампе с управляющей сеткой, а магнитным полем.
Электрическая схема простейшего магнетрона представлена на рис.1.
Из рисунка видно, что магнетронная лампа имеет цилиндрический анод, внутри которого расположен прямолинейный катод. Снаружи лампы устанавливается катушка электромагнита таким образом, чтобы силовые линии ее магнитного поля были параллельны осям катода и анода.
Возбуждение электрических колебаний устройством может быть представлено так: с катода, накаливаемого специальным источником постоянного или переменного тока, вылетают электроны. Под влиянием ускоряющего анодного поля, находящегося под положительным потенциалом, электроны направляются к аноду. При отсутствии постороннего магнитного поля электроны, вылетающие с катода, беспрепятственно достигают анода. В этом случае электроны летят прямолинейно по радиусам (рис.2, а).
magnetron1 При прохождении тока через катушку электромагнита появляется магнитное поле. Пути электронов под влиянием магнитного поля искривляются. Чем сильнее магнитное поле, тем больше искривляются пути летящих электронов (рис.2б и 2в). При дальнейшем усилении магнитного поля, достигаемого увеличением тока, протекающего по катушке электромагнита, пути или траектории электронов настолько сильно искривляются, что электроны, не долетая до анода, возвращаются на катод (рис.2г). В этом случае прохождение анодного тока прекращается.
Таким образом электрон, вылетающий с катода, попадает на анод по сложному, криволинейному пути. Время, в течение которого электрон проходит этот путь, сравнимо с периодом колебаний.
Это имеет существенное значение, так как при определенных величинах магнитного поля и анодного напряжения возникают колебания сверхвысокой частоты, период которых сравним с временем пробега электрона к аноду.
magnetron2 Частота таких колебаний зависит от величин, напряженности магнитного поля H и анодного напряжения Ua и от диаметра анода. Меняя напряженность магнитного поля и Ua, можно в известных пределах изменить длину волны и мощность генерируемых колебаний. Следует помнить, что для возбуждения колебаний не обязательно иметь регулируемое по величине магнитное поле, а, определив его наивыгоднейшую для данного случая величину, сделать его постоянным. Это дает возможность применять вместо электромагнитов постоянные магниты.
Мы рассмотрели здесь простейший тип магнетронной лампы со сплошным анодом. Для облегчения возникновения колебаний аноды обычно разрезаются вдоль оси на отдельные сегменты.
Применяются магнетроны с двумя, четырьмя, шестью, восемью и более сегментами. При этом число сегментов обычно берется четное, хотя принципиально магнетронная лампа может работать и при нечетном числе сегментов. Схематическое изображение магнетронов с 2, 4 и 6 сегментами приведено на рис.3.
magnetron3 Отдельные сегменты соединяются в параллель, при этом получаются два вывода для присоединения колебательного контура; последний выполняется в виде удлиненной дуги из проволоки или шинки красной меди; концы дуги подсоединяются к выводам сегментов анода. Анодное напряжение подается к средней точке дуги. Для изменения длины волны параллельно концам дуги присоединяется конденсатор переменной емкости. Антенна (например, полуволновый диполь) связывается с колебательным контуром индуктивно симметричной фидерной линией или высокочастотным кабелем.
magnetron4 Такая конструкция дает возможность отнести антенну от колебательного контура и поднять ее над передатчиком для получения большей дальности действия. Принципиальная схема передатчика дециметровых волн с 4-сегментным магнетроном приведена на рис.4.
Для более коротких волн часто применяется емкостная связь самой лампы с колебательным контуром. В магнетронную стеклянную колбу помешается настроенная система Лехера, включенная на сегменты анода.
Система Лехера выполняется из тонких пластинок (длиной 3/4 длины волны), идущих параллельно друг другу и коротко замкнутых на противоположном конце мостиком.
Такая конструкция дает возможность осуществить емкостную связь с внешним колебательным контуром и увеличивает площадь охлаждения анода. Внешний колебательный контур выполняется в виде дуги из проволоки с пластинками на концах. Пластинки накладываются на стеклянную колбу лампы, чем и достигается емкостная связь между внешним и внутренним контурами. Если длина дуги от сгиба до пластинки равна одной четверти длины волны (λ/4), тогда на сгибе получается узел напряжения и пучность тока. Возможно применение дуги контура с длиной, равной ¾λ; в этом случае на сгибе также получается узел напряжения и пучность тока, а на расстоянии λ/2 от концов дуги получается пучность напряжения. В эти точки присоединяются полуволновые вибраторы антенны. Схема такого передатчика указана на рис.5. В зависимости от назначения схемы применяются различные колебательные контуры и типы магнетронов.
magnetron5 В настоящее время применяются магнетроны, рассчитанные на волны длиной от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров при колебательной мощности от десятых долей ватта до тысячи киловатт. Говоря о мощности в сотни или тысячу киловатт, следует помнить при этом, что эта мощность мгновенная в импульсе, длящемся не более нескольких миллионных долей секунды.
Магнетроны для больших мощностей требуют применения особых мер для отвода анодного тепла. В зависимости от мощности и конструктивного выполнения магнетронных ламп применяется или водяное или воздушное охлаждение. Лампы небольшой мощности имеют воздушное охлаждение. Для увеличения площади охлаждения у некоторых типов магнетронов на сегментах анода устанавливаются ребра.
На режим работы магнетрона оказывает большое влияние режим питания, т. е. анодного и накального напряжений и напряженность магнитного поля. Как правило, при повышении Ua увеличивается и частота колебаний, следовательно, длина волны уменьшается. Увеличение напряжения накала повышает ток эмиссии и влечет за собой уменьшение частоты колебаний, т.е. этим вызывает увеличение длины волны.
Регулировка напряженности магнитного поля дает такие же результаты, как изменение Ua, т. е. с возрастанием напряженности укорачивается длина волны. Влияние анодного и накального напряжений, а также величины напряженности магнитного поля имеют очень большое значение для работы магнетрона, они должны постоянно приниматься во внимание.
Коэффициент полезного действия магнетрона значительно ниже, чем у обычного электронного генератора; в зависимости от характера колебаний и длины волны он может составлять от 6 до 35 %.
Чтобы предотвратить уход частоты в магнетронном генераторе от колебаний напряжения в питающей сети, магнетронные генераторы должны работать только со стабилизаторами напряжения сети.
magnetron6 Стабильность должна быть достаточно высокой, чтобы изменение частоты передатчика не выходило за пределы допустимой ширины полосы настройки приемника. Так как обычно в передатчиках работают магнетроны с постоянными магнитами, то стабилизировать нужно анодное и накальное напряжение. В качестве стабилизатора может быть применен любой из известных типов стабилизаторов, дающий постоянство напряжения, равное 0,5% от номинального, при изменении напряжения сети в пределах от - 20% до + 10%.
В цепь анода включается омическое сопротивление в 3 - 10 Ом . Сопротивление предохраняет лампу от значительных бросков тока. Значительное влияние Ua на частоту колебаний магнетрона позволяет очень легко и просто осуществить частотную телефонную модуляцию. Действительно, если к постоянному Ua приложить некоторое дополнительное напряжение звуковой частоты, то это вызовет изменение частоты, возбуждаемой магнетронной лампой (рис. 6).
Таким образом, можно легко модулировать по частоте и осуществить не только телефонную передачу, но даже высококачественную передачу музыки и телевидения. Крайняя простота получения частотной модуляции для телефонных передатчиков дециметровых и сантиметровых волн на магнетронах обусловила их исключительно широкое применение.

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet