АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАГНЕТРОНОВ И ПЕРСПЕКТИВ ИХ РАЗВИТИЯ

АННОТАЦИЯ

В данной статье анализируется область применения магнетронов, их достоинства и недостатки, а также рассматриваются перспективы их развития.

Ключевые слова: магнетрон, РЛС, СВЧ, перспективы.

Магнетроны являются узкополосными генераторами ЭМВ, накапливающие энергию, подводимую извне, в перпендикулярных статических электрическом и магнитном полях. Их использование можно встретить в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц. Магнетроны способны генерировать мощные колебания до 10 МВт с длительностью импульса до 5 мкс. [1]

Магнетрон – электровакуумный прибор, преобразующий энергию источников питания в энергию высокочастотных электромагнитных полей. В сантиметровом диапазоне волн магнетронные генераторы дают возможность получать высокочастотную мощность в тысячи раз большую, чем любой другой тип электронных ламп, и высоким КПД. В СВЧ-передатчиках, а, прежде всего, в РЛС, в качестве генерирующего элемента применяются чаще всего магнетроны [2].

Пример многорезонаторного магнетрона представлен собой на рисунке 1. В центре устройства расположен катод с подогревателем, окруженный анодным блоком - многорезонаторной системой. Магнитная индукция направлена вдоль оси магнетрона. Анодное напряжение U_a между анодом и катодом создает электрическое поле, перпендикулярное магнитному.

Рисунок 1. Пример устройства многорезонаторного магнетрона

Анод магнетрона исполняется блоком с множеством (как правило чётным числом) полостей-резонаторов от 8 до 40. Монолитная конструкция якоря-анода позволяет реализовать блок колебательных контуров (резонаторов) без участия внешних LC-цепей. Благодаря этому значительно повышается рабочие мощность и частота. Для устранения эффекта «перескока» частоты генерации из-за замедляющих свойств используется электрическое соединение по отдельности чётных и нечётных резонаторов анодного блока, а также отличающаяся геометрия соседних полостей-резонаторов.

Рисунок 2. Распределение ЭМП в многорезонаторном магнетроне

При взаимодействии с полем электроны, вылетевшие с катода в неблагоприятной фазе, быстро удаляются, благодаря чему происходит характерная селекция электронов. Благодаря этому электронный поток состоит преимущественно из электронов, тормозимых ВЧ-полем. Ускоряемые же электроны, собираются возле катода, вдали от щелей, снижая влияние на поле. Благодаря этому вредное взаимодействие электронов с полем оказывается незначительным в общем энергетическом балансе.

Этот механизм эффективнее по отношению к любым другим, заложенным в иных СВЧ приборах, что и обеспечивает максимальный КПД. Вывод ВЧ энергии осуществляется через симметричную линией с помощью петли связи, в одном из резонаторов или с помощью волновода через щель связи.

До сих пор магнетроны являются лучшими приборами по вырабатываемой мощности для заданных габаритов. Кроме того, простота и дешевизна производства магнетрона делает его более выгодным по сравнению с клистроном и ЛБВ сходных характеристик. Магнетронные радары, до сих пор составляющие конкуренцию твердотельным, появились еще в сороковых годах прошлого века, но даже сегодня не являются анахронизмом. Цифровизация сигналов и аппаратуры, активное освоение СВЧ и высших частотных диапазонов позволили магнетронам и сегодня занимать существенную долю рынка.

У магнетронов остаются преимущества в сферах, где необходимо достигнуть оптимальных параметров массы, габаритов аппаратуры, простоты в использовании, низкого рабочего напряжения и подавления побочных колебаний. При соблюдении чётких правил эксплуатации и мер защиты, магнетроны достаточно безопасны для рабочего персонала и надёжны в работе.

Основным недостатком обычного магнетрона является его невысокая стабильность, которая не позволяет получать высоко когерентные последовательности импульсов для защиты от пассивных помех и местных предметов, невозможность межпериодной перестройки частоты, невозможность внутриимпульсной модуляции по частоте или фазе, что позволяет импульсному сигналу сжиматься при соответствующей обработке, достаточно высокий уровень паразитных колебаний, достаточно жесткие ограничения по средней мощности, по минимальной (менее 100 нс) и максимальной (более 100 мкс) длительности сигналов (частота сигнала внутри импульса зависят от возможности импульсного модулятора поддерживать на необходимом уровне амплитуду модулирующего импульса).

Ещё к недостаткам магнетрона можно отнести большие мощности и неидеальный КПД сопряженные с проблемой отвода тепла. Также резонаторы для очень высоких частот становятся столь малыми, что их трудно изготавливать, а сам такой магнетрон из-за своих малых размеров не может быть достаточно мощным и долговечным. Уменьшение рабочей длины волны прибора приводит к росту относительных погрешностей изготовления резонаторной системы, в результате чего ухудшается однородность структуры высокочастотного поля и повышаются потери в системе.

Тем не менее сегодня возможности применения импульсных магнетронов достаточно широки: телеметрия, измерения скорости и расстояния, строительство, космические аппараты, с/х, медицина и т.п.

Одно из направлений развития магнетронных устройств – это расширение спектра генерации, в т.ч. динамическое. В РЛС с этим связана проблема ложных целей (фантомных), требующая в настоящее время наличия нескольких магнетронов, что отрицательно сказывается на габаритах, КПД системы, сложности настройки, стоимости.

Также в магнетронах возможна генерация комбинационных составляющих из-за влияния низкочастотного колебаний собственного электронного потока. Кроме того, комбинационные составляющие могут появиться в спектре генерации и из-за внешнего сигнала с частотой близкой к частоте генерации. [3]

В классических магнетронах стараются подавить шум и паразитные колебания, сделав устройство одночастотным, однако возможно использовать конкуренцию видов колебаний электронного потока вместо модуляции поля внешним сигналом. Данный подход требует особой точности исполнения. Подбором таких характеристик, как нагруженная добротность и норма колебания можно добиться возбуждения побочного вида колебаний, используемого в качестве модулирующего. Тогда можно будет добиваться генерации шумового сигнала во всём спектре, либо сигнала содержащего несколько основных спектральных составляющих, значительно превышающих уровень шума.

Также в магнетронных генераторах возможно применение амплитудно-частотной модуляции. [4] При подаче достаточно слабого внешнего сигнала, при достаточно высоких уровнях шума в магнетроне возникает квазишумовой спектр насыщенный комбинационными составляющими, но использование данной схемы требует дополнительного генератора, что связано с усложнением конструкции приборов.

Дальнейшее развитие магнетронной теории будет направленно на уменьшение линейных размеров магнетронных блоков с сохранением полезных свойств, добавлением новых и подавлением негативных последствий.

Благодаря развитию САПР и систем моделирования возможно достижение более высоких параметров и характеристик магнетронов, дальнейшее развитие теории магнетронов, упрощение и удешевление производства

Список литературы:

1. Панин И.С. Элементы радиоэлектронной аппаратуры / И.С. Панин, Л. В. Панченко. – М.: издательство «Советское радио», 1976г.
2. Шлифер Э. Д. Расчёт многорезонаторных магнетронов / Э. Д. Шлифер. – М. : МЭИ, 1966г.
3. Поляков, И. В. Исследование процесса возбуждения комбинационных составляющих при низкочастотной модуляции электронного потока в скрещенных полях / И. В. Поляков, А. Г. Шеин // Вопросы физической метрологии. Вестник Поволжск. отд-ния Метролог. Акад. России. – 1999.– № 1. – С. 113-128.
4. Ермолаев, А. В. Возбуждение комбинационных составляющих в спектре магнетронного генератора при конкуренции соседних видов колебаний / А. В. Ермолаев, И. В. Поляков, О. А. Оленникова // Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2013 – Вып. 7. – С. 45-50.