книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

ник питания имеет низкое выходное сопротивление или же в нем имеются какие-либо средства, отключающие

ограничена и не вызовет необратимых повреждений. Если же конструктор не хочет усложнять схему сред­

ствами автоматики и использует источник питания с двухполупериодным выпрямлением, то нужно иметь в виду, что, как следует из фиг. 15, б и в , колебания вида р = = (N/2) — 1 в схеме со стабилизацией тока магнетрона последовательно включенным электромагнитом будут су­ ществовать значительно большее время (в сравнении со схемой с постоянным магнитом и независимой стабили­ зацией). Колебания [(N/2) — 1]-вида будут существовать в первой схеме при более низком анодном напряжении. Таким образом, магнетроны, включаемые по схеме с по­ следовательным электромагнитом, более подвержены по­ вреждениям при перескоках, и для таких схем их нужно делать более стойкими против указанных выше явлений, сопровождающих перескок. Диаграмма фиг. 15, в пока* зывает, как можно повысить к. п. д. схемы стабилизации электромагнитом, если исключить протекание предгене-

питания имеется высоковольтный трансформатор и схема удвоения напряжения на конденсаторах; при напряжении сети в пределах от 105 до 130 б выходная мощность магне­ трона составляет около 1 кет. Реле перенапряжения поз­ воляет продлить срок службы контактов рабочего реле благодаря тому, что оно уменьшает пусковой .ток транс­ форматора при включении.

В настоящее время наиболее экономичными средствами стабилизации входных параметров магнетронов с выход­ ной мощностью менее 2,5 кет можно считать ферромаг­ нитные стабилизаторы (фиг. 16), а для создания магнит­ ного поля целесообразно использовать постоянные маг­ ниты. На более высоких уровнях мощности стоимость ферромагнитных стабилизаторов и постоянных магнитов превышает стоимость электромагнита, управляемого анод­ ным током. Схему независимого управления электромаг­

нитом можно рассчитать так, чтобы обеспечить на входе магнетрона ток постоянной величины или постоянную мощ­ ность или же ограничить ток источника питания. По-ви­ димому, нетрудно сделать постоянную времени цепи пи­ тания большой относительно периода сетевой частоты и, таким образом, обеспечить работу магнетрона в квазипостояниом магнитном поле, что будет способствовать

Ф и г . 16. Схема однофазного источника питания для магнетронов с постоянными магнитами.

Дежурный накал магнетрона 5 в, рабочий режим 3,5 в.

повышению устойчивости магнетрона к перескокам и даст возможность без больших дополнительных затрат регу­ лировать мощность, меняя магнитное поле электромагни­ том.

У схемы независимого питания электромагнита имеет­ ся еще одно дополнительное преимущество. Когда элек­ тромагнит включают последовательно с магнетроном, то каждый период на нем, как на индуктивности, наводится значительное напряжение. Если же электромагнит пи­ тается от независимого регулирующего устройства, то пиковые напряжения можно сделать очень малыми, что

позволяет создать более экономичную конструкцию и повысить надежность системы.

Схема, представленная на фиг. 17, служит примером практически удобного и экономичного источника питания. Анодное напряжение берется с двухполупериодного мо­ стового выпрямителя. К вторичной обмотке со средней

Земля Шасси

Ф и г . 17 Схема однофазного источника питания для магнетронов с электромагнитами.

точкой подключены два диода, через которые подается регулируемое магнитное смещение, препятствующее про­ теканию анодного тока при напряжениях ниже 4 кв. Связь между источником питания и источником магнит­ ного смещения обеспечивает некоторую компенсацию тока смещения анодным током, благодаря чему улучшается последовательная стабилизация (фиг. 3). Анодный ток получается почти постоянным, и тем самым повышается надежность работы при больших значениях к. с. в. и.

Для питания более мощных установок приходится переходить от однофазной сети к трехфазной. Обычно при мощностях 5 кет и выше чаще используют трехфаз­ ное питание, что значительно сокращает эксплуатацион­ ные расходы. Как уже говорилось выше, при таких мощ­ ностях использование электромагнитов дешевле, чем ис­ пользование постоянных магнитов, поскольку электро­ магнит дает возможность стабилизации подводимой к маг­ нетрону мощности в течение интервалов, превышающих несколько периодов сетевой частоты. Но если магнетрону нужно дать возможность выхода из режима генерации на виде р = (N/2) — 1 (в случае, когда произошел пере­ скок), то необходимо, чтобы источник питания имел схему однополуперйодного выпрямителя без фильтрации и чтобы напряжение питания снижалось ниже уровня точки й на фиг. 15, а. Трехфазные источники питания обычно имеют низкое динамическое сопротивление, так что точка С может находиться при существенно более низком напряжении. Кроме того, в случае работы магне­ трона с трехфазным источником питания можно не при­ менять последовательно включенного электромагнита, по­

На фиг. 17 и 18 показаны фильтры в катодной цепи, назна­ чение которых состоит в том, чтобы блокировать помехи на частотах телефонии и связи. Экранирование позволяет в основном ограничить областью внутри экрана корон­ ные явления, вызываемые высокими напряжениями. Кро­ ме того, экран не допускает распространения СВЧ-гар- моник и паразитных сигналов, генерируемых магнетро­ ном и излучаемых через его катодную ножку.

Мощность, необходимую для нагрева катода, т. е. мощность накала, можно получить от обычного накаль­ ного трансформатора. Часто после подачи рабочего на­ пряжения необходимо уменьшить эту мощность накала, чтобы не допустить перегрева катода под действием об­ ратной электронной бомбардировки. При работе с магне­ тронами мощностью более 5 кет было установлено, что долговечность магнетрона существенно увеличивается, если для управления мощностью накала используется

накала. Обычно величину этих токов можно ограничить, используя накальные трансформаторы с большим рассея­ нием.

VI. Перспективы развития магнетронов для СВЧ-нагрева

Где проходят границы эффективного применения маг­ нетронов? По-видимому, ответ на этот вопрос лучше всего искать в уравнениях, устанавливающих соотношения между основными параметрами магнетрона. Из этих урав­ нений и анализа тепловых потоков следует, что обычные лопаточные магнетроны со связками теоретически спо­ собны отдавать мощность 25 кет в 10-сантиметровом диа­ пазоне и 100 кет в дециметровом (Ь) диапазоне при ра­ боте одной лампы на нагрузку с высоким значением к. с. в. н. Если же фаза нагрузки не меняется, то эти* предельные значения можно удвоить. Указанные преде­ лы можно превысить, если использовать магнетрон Бута с длинным анодом [7] или магнетроны с более слож­ ными анодными блоками.

Проблемы, связанные со стабильностью систем, ко­ торые до сих пор не удавалось разрешить полностью, ограничивали военные применения сверхмощных магне­ тронов. Но поскольку сейчас конструкции магнетронов, применяемых в военной технике, уже обеспечивают до­ статочно высокую стабильность, некоторые из этих проб­ лем, казалось бы, должны быть решены. На современ­ ном же этапе развития все еще ощущается недостаточная целенаправленность разработок сверхмощных магнетро­ нов. Тем не менее, как было показано, параллельная работа нескольких^ мощных генераторов СВЧ дает ряд преимуществ по сравнению с одиночным генератором.

1. Каждый генератор может работать без синхрони­ зации. Множество генераторов можно включить так, чтобы связь между ними была минимальной (необходи­ мое условие при несинхронной работе).

2. Снижается начальная стоимость и расходы по эксплуатации источника питания, так как он состоит из менее мощных блоков и элементов, изготовляемых бодес

крупными сериями. Становится возможным уменьшить расходы, связанные со складским хранением, и свести к минимуму время простоя оборудования при замене отдельных блоков.

3. Наличие нескольких облучателей и несинхронная работа генераторов дают усреднение суммарных отраже­ ний, что приводит к высокой степени равномерности нагрева.

4. Энергия гармоник, генерируемых несколькими ге­ нераторами, распределяется в некоторой полосе частот; благодаря этому гармоники имеют значительно более низкий уровень и ими легче управлять, чем гармоника­ ми более мощного генератора.

5. Индивидуальным режимом таких генераторов мож­ но управлять с помощью фотоэлементов, обнаруживаю­ щих перерывы в подаче обрабатываемых изделий по кон­ вейеру. Автоматическое выключение и включение генера­ торов позволяют избежать излишних потерь энергии и предотвратить перегрев продукции.

Таким образом, разработчик оборудования в зависи­ мости от поставленной задачи может выбрать один из двух возможных вариантов: объединить относительно малое количество более мощных генераторов или же взять боль­ шее число менее мощных источников. В настоящее время, правда, на складах еще нет приборов всех возможных уровней мощности для разрешенных диапазонов частот, но можно ожидать, что растущий спрос приведет к запол­ нению всех имеющихся «вакансий».

Маловероятно, чтобы требования, выдвигаемые раз­ работчиками военного оборудования, способствовали ре­ шению проблем, ограничивающих уровень мощности сверхмощных магнетронов. Напротив, под давлением спроса на невоенное оборудование эти проблемы, возмож­ но, будут решены через несколько лет. Существует также много стимулов для решения проблемы работы при низ­ ких напряжениях, так как полная стоимость установки, по-видимому, пропорциональна напряжению, на которое она рассчитана. Когда удастся решить эти проблемы, появятся возможности создания еще более мощных магнетрон нь/х установок.

/а — средний анодный ток;

/м — средний ток электромагнита;

М — коэффициент пространства взаимодействия (по ве­

Р— к. с. в. н. — коэффициент стоячей волны на­ пряжения;

/?,, — сопротивление нагрузки на выходе; /?ш — сопротивление, включенное на эквивалентной схе­

^ ^к* Увр — напряжение возбуждения те-вида;

АУ — разность напряжений С/в и Уао; Ц?и — мощность в цепи катода или подогревателя;

— характеристическое сопротивление резонаторной системы.

7.В о о 1 Н. А. Н., Ьопб апоЛе гпадпе1гопз, ш СгоззеЛ-Р1е1Л М|‘с- го\уауе Беущез (Е. Окгезз, еЛ.), у о 1 . 2, рр. 261—290, № \ у Уогк, АсаЛ. Ргезз, 1961; есть русский перевод: Электронные сверхвысо­ кочастотные приборы со срещенными полями, ИЛ, М., 1961, т. 2, стр. 236.