Журнал Радио 8-9 номер 1946 год. Что такое магнетрон

Журнал Радио 8-9 номер 1946 год. Что такое магнетрон
Инж. А. И. Иоффе.

В 3 нашего журнала за 1946 г. был описан клистрон специальный электроннолучевой прибор, служащий для генерирования сверхвысоких частот. Его работа основана на принципе фазового фокусирования электронногопотока.

В помещаемой ниже статье рассматривается принцип работы и описывается устройство другого специального электронного прибора магнетрона, используемого также для генерирования сверхвысоких частот.

* * *

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.

Рис. 1. Схема магнетрона: 1 — стеклянный баллон лампы, 2 — анод, 3 — катод, 4 — катушка электромагнита

Что такое 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 магнетрон 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 магнетроном может быть представлено так: с катода, накаливаемого специальным источником постоянного или переменного тока, вылетают электроны. Под влиянием ускоряющего поля анода, 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 к аноду прямолинейно по радиусам (рис. 2, а). 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 к аноду электронов (рис. 2, б и 2, в). 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. 2, г). В этом случае прохождение анодного тока через магнетрон прекращается. Искривление траектории электрона вызывается воздействием на него магнитного поля.

Рис. 2. Пути электронов в магнетроне под влиянием магнитного поля.

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.

Частота таких колебаний зависит от величин, напряженности магнитного поля и анодного напряжения Ua и от диаметра анода магнетрона.

Меняя напряженность магнитного поля и анодное напряжение, 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 магнетрона со сплошным анодом. Для облегчения возникновения колебаний аноды магнетронов 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 магнетрон может работать и при нечетном числе сегментов.

Схематическое изображение магнетронов с 2, 4 и 6 сегментами приведено на рис. 3.

Рис. 3. Аноды магнетрона с различным числом сегментов

Отдельные сегменты анода 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.

Такое устройство 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.

Рис. 4. Принципиальная схема передатчика с магнетроном

Для более коротких волн часто применяется емкостная связь самой лампы с колебательным контуром. В стеклянную колбу магнетрона 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 угока. 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.

Рис. 5. Схема передатчика с магнетроном, связанного с антенной через емкость: 1 стеклянная колба магнетрона, 2 полюса постоянного магнита, 3 пластинки системы Лехера, 4 анод магнетрона, 5 катод магнетрона, 6 пластинки дуги колебательного контура, 7 дуга колебательного контура, 8 вибратор, 9 аккумулятор накала, 10 анодный аккумулятор.

В зависимости от назначения схемы применяются различные колебательные контуры и типы магнетронов. 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 тепла с анода. В зависимости от мощности и конструктивного выполнения магнетронов применяется или водяное или воздушное охлаждение. Магнетроны 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. напряжения на аноде и нити накала и напряженность магнитного поля.

Как правило, при повышении анодного напряжения увеличивается и частота колебаний, следовательно, длина волны уменьшается.

Увеличение напряжения накала повышает ток эмиссии и влечет за собой уменьшение частоты колебаний. Таким образом повышение напряжения накала вызывает увеличение длины волны.

Регулировка напряженности магнитного поля дает такие же результаты, как изменение анодного напряжения, т. е. с возрастанием напряженности укорачивается длина волны. Влияние напряжений анода и накала, а также величины напряженности магнитного поля имеют очень большое значение для работы магнетрона, они должны постоянно приниматься во внимание.

Коэфициент полезного действия магнетрона значительно ниже, чем у обычного электронного генератора; в зависимости от характера колебаний и длины волны он может составлять от б до 35 процентов.

Чтобы предотвратить уход частоты в магнетронном генераторе от колебаний напряжения в питающей сети, магнетронные генераторы должны работать только со стабилизаторами напряжения сети. Стабильность напряжения 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 ностоянными магнитами, то стабилизировать нужно анодное и накальное напряжение. В качестве стабилизатора напряжения 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 магнетрона включается омическое сопротивление в 310 т ^ . Сопротивление предохраняет лампу от значительных бросков тока.

Значительное влияние анодного напряжения на частоту колебаний магнетрона позволяет очень легко и просто осуществить частотную телефонную модуляцию. Действительно, если к постоянному анодному напряжению приложить некоторое дополнительное напряжение звуковой частоты, то это вызовет изменение частоты, возбуждаемой магнетроном (рис. 6).

Рис. 6. Частотная модуляция при магнетроне: 1 частотная характеристика при отсутствии модуля-2 частотная характеристика при модуляции звуковой частотой, fo номинальная частота, f1f2 девиация частоты при модуляции.

Таким образом, можно легко магнетрон 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.

Рассмотрим теперь, как обнаружить возбуждение колебаний генератора с магнетроном и как определить частоту этих колебаний.

Обнаружить колебания можно несколькими способами, в зависимости от схемы передатчика. При включении миллиамперметра в анодную цепь магнетрона наличие колебаний легко определяется по показаниям прибора. При отсутствии миллиамперметра наличие колебаний можно определить по накаливанию нити лампочки от карманного фонаря. Для этого лампочку надо: расцоколевать и, водя ее выводными проводниками по колебательному контуру передатчика, наблюдать, накаливается ли нить лампы. При этом наибольший накал будет в местах, где имеется пучность напряжения.

Можно обнаружить наличие колебаний по накалу лампочки, связав ее через небольшой виток проволки с колебательным контуром. Однако следует помнить, что этими методами можно обнаружить колебания только в том случае, если в колебательном контуре имеется мощность не меньше 0,20,3 W. Колебания мощностью меньше 0,2 W можно обнаружить с помощью индикаторного контура (рис. 7).

Рис. 7: Схема связи индикаторного контура с генератором: 1 колебательный контур генератора, 2 провод длиною 0,20,25, 3 кристалический детектор, 4 микроамперметр на 15-20 µA

Сближая индикаторный контур с колебательным контуром генератора, мы получаем при наличии колебаний отклонение стрелки измерительного прибора. Для указанного индикаторного контура нельзя применять обычные кристалические детекторы из-за их большой емкости. В этой схеме должен быть применен кремневыйдетектор с очень малой емкостью, пригодный для дециметровых и сантиметровых волн.

Определить длину волны можно с помощью системы Лехера. Система Лехера представляет собой пару параллельно натянутых неизолированных проводов, длина которых равна 23 длинам волны. Диаметр провода 1,52 mm при расстоянии между центрами проводов 610 mm. Один конец системы Лехера имеет виток, служащий для связи с колебательным контуром. Концы системы изолированы. Если связать систему Лехера с колебательным контуром, то в провоДах возникнут стоячие волны. В зависимости от длины проводов вдоль их образуются несколько стоячих волн тока и напряжения с пучностями и узлами, как это указано на рис. 8. Между отдельными узлами и пучностями тока или напряжения сохраняется вполне определенное расстояние, равное полуволне (λ ⁄2).Если в колебательном контуре передатчика мы имеем мощность не меньше 0.20,3 W, то с помощью расцоколеванной лампочки от карманного фонаря легко определить места, соответствующие пучностям напряжения. В пучности напряжения лампочка будет накаливаться наиболее сильна. Определив места на проводах системы, где лампочка накаливается сильнее, и измерив эти расстояния обычной сантиметровой линейкой, легко определить длину волны, так как расстояние между двумясмежными пучностями равно полуволне λ ⁄2

Рис. 7: Схема связи индикаторного контура с генератором: 1 колебательный контур генератора, 2 провод длиною 0,20,25, 3 кристалический детектор, 4 микроамперметр на 15-20 µA

При мощности в колебательном контуре меньше 0,20,3 W определение длины волны по системе Лехера с помощью лампочки накаливания невозможно. В этом случае следует воспользоваться индикаторным контуром (рис. 7), система Лехера при этом размыкается. К выходным концам детектора подсоединяется микроамперметр. Детектор передвигают вдоль проводов, как и лампочку накаливания. В пучностях напряжений будут получаться наибольшие отклонения стрелки микроамперметра. Измерив расстояния на проводах системы Лехера между точками, соответствующими наибольшим отклонениям микроамперметра, мы легко определим длину полуволны.

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 8-9 номер 1946 год







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.