/
Author: Козлов Л.Н. Дятлов Ю.В.
Tags: электротехника электроника радиотехника радиоэлектроника свч
Year: 1967
Text
Л Е М Е Н Т Ы
АДИОЭЛЕКТРОННОЙ
П ПАРАТУ Р Ы
<
а.
МИТРОНЫ
ЭЛЕМЕНТЫ
РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ
АППАРАТУРЫ
9 6
Ю. В. Д я т л о в, Л. Н. Козлов
: МИТРОНЫ
о
о
X
cl
Scan AAW
УДК 621.385. 642
Дятлов Ю. В., Козлов Л. Н. Митроны. Изд-во «Советское ра-
дио», 1967, 3 л., 31 000 экз., ц. 17 коп.
В брошюре рассматривается новый класс широко-
полосных СВЧ генераторов магнетронного типа — мит-
ронов, используемых в радиоэлектронной аппаратуре
в качестве задающих генераторов, маломощных пере-
датчиков и гетеродинов приемных устройств.
Кратко освещаются физические процессы, проис-
ходящие в митроне, а также особенности их конструк-
ции. Отмечаются основные преимущества митронов по
сравнению с лампами обратной волны типа О, клистро-
нами и триодными генераторами. Приводятся типовые
характеристики и выясняется зависимость параметров
митронов от режимов работы.
Описываются основные правила эксплуатации мит-
ронов, методы контроля в процессе эксплуатации и ме-
ры по прогнозированию и предупреждению отказов.
Рассматривается порядок учета отказов митронов и
приводятся правила рекламации дефектных приборов.
Брошюра рассчитана на читателей, связанных с об-
служиванием радиоэлектронной аппаратуры, она может
быть полезной и для инженерно-технического персонала,
занимающегося разработкой и испытаниями радиоэлек-
тронного оборудования.
Таблиц 2, иллюстр. 26, библиогр. 21.
Редакционная коллегия серии брошюр ЭРА:
Балашов В. П. (отв. редактор), Бацев В. И., Бергельсон И. Г.,
Девятков Н. Д., Девяткин И. И., Кондратенков В. М., Кузьмин Г. А.,
Кукарин С. В., Морозов И. И., Сретенский В. Н. (зам. отв. редак-
тора), Темкин С. Е. (зам. отв. редактора), Тимофеев В. Ю.,
Якимов О. П., Яковлев В. Я.
3-3-12
52—67
ВВЕДЕНИЕ
К типу М относятся приборы СВЧ, у которых статическое
электрическое поле создается между анодной структурой и специаль-
ным электродом, расположенным по оси пространства взаимодей-
ствия, статическое магнитное поле имеет направление, перпенди-
кулярное электрическому полю. Электронный пучок под действием
системы скрещенных статических электрического и магнитного по-
лей перемещается в пространстве взаимодействия по сложной траек-
тории, объединяющей поступательное и вращательное движение.
Энергетическое состояние электронного пучка характеризуется
кинетической энергией вращения и энергией радиального переноса,
т. е. потенцйальной энергией, которая зависит от разности потен-
циалов между анодной системой и соответствующей эквипотенци-
алью электрического поля, на которой расположен электрон в про-
странстве взаимодействия.
Энергообмен между электронным потоком и высокочастотным
полем осуществляется за счет изменения потенциальной энергии
электронов без изменения их кинетической энергии.
У митрона в отличие от других генераторов типа М, например
магнетронов и ЛОВ-М, выходная высокочастотная мощность и не-
которые другие электрические характеристики связаны с полосой
электрической перестройки частоты. Поэтому целесообразно разли-
чать два основных типа приборов СВЧ этого класса:
1) широкополосные митроны, характеризуемые отношением мак-
симальной генерируемой частоты к минимальной, равным 2:1 или
3:1, при уровне выходной высокочастотной мощности от 50 до
1 500 мвт\
. 2) митроны с полосой электрической перестройки 5—20% при
уровне выходной высокочастотной мощности в пределах 3—150 вт.
Впервые сведения о разработках митронов в США появились
в 1953 г., хотя основные принципы, характеризующие этот класс
приборов, были обнаружены значительно раньше, в 1939 г., совет-
ским ученым В. И. Калининым.
Первый отечественный митрон был создан группой инженеров
под руководством В. И. Евсеева.
В последнее время разработке митронов уделяется значительное
внимание как за рубежом, так и в СССР.
За период с 1953 по 1966 гг. американскими фирмами General
Electric, Mictron, Eimac и другими была разработана промышлен-
3
ная серия митронов, работающих в диапазоне длин волн 3,0—
100 см 1.
Основными преимуществами митрона по сравнению с ЛОВ типа
О являются: линейная частотная характеристика, повышенный уро-
вень выходной высокочастотной мощности, высокий к. п. д., малые
перепады выходной высокочастотной мощности во всем диапазоне
электрической перестройки.
По сравнению с клистронами и триодными генераторами миг-
роны имеют более высокую степень линейности частотной харак-
теристики, шире диапазон электрической перестройки при доста-
точно большом уровне выходной высокочастотной мощности, малые
перепады мощности в рабочем диапазоне. Кроме того, простота кон-
струкции митронов и повышенная прочность обеспечивают работо-
способность приборов в более тяжелых механических и климати-
ческих условиях.
1 Краткие характеристики основных типов зарубежных митро-
нов приведены ® конце брошюры (табл. 2).
4
1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ МИТРОНА
1.1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ МИТРОНА
В процессе экспериментальных исследований магнетронов было
замечено, что если ток эмиссии катода ограничен (применением
режима недокала) и с высокочастотной нагрузкой установлена
сильная связь, то при изменении анодного напряжения частота ге-
нерируемых колебаний меняется в широких пределах. В 1949 г.
Уилбур и Питерс при исследовании низкодобротного (случай силь-
ной связи с нагрузкой) 100-ет магнетрона непрерывного генерирова-
ния в режиме температурного ограничения катода (т. е. в режиме
ограниченной эмиссии) получили электрическую перестройку ча-
стоты от 500 до 1 000 Мгц [4]. Эта экспериментальная работа вызва-
ла интенсивное развитие нового класса приборов СВЧ — митронов.
На основании изложенного можно сделать вывод о том, что
электрическая перестройка генерируемой частоты в широких преде-
лах в митроне может быть осуществлена путем ограничения эмис-
сионного тока катода (анодного тока или тока взаимодействия)
и применения* внешней колебательной системы малой добротности.
Первые конструкции митронов, предложенные Бойдом, в основ-
ном коаксиального типа, мало чем отличались от конструкции обыч-
ных магнетронов. Эмигрирующий катод находился в пространстве
взаимодействия (рис. 1) и работал в режиме температурного огра-
ничения эмиссии, анодный блок магнетрона представлял собой замк-
нутую встречно-штыревую структуру, свернутую в кольцо, что по-
зволяло довольно просто осуществить связь с нагрузкой. Однако та-
кая конструкция митронов обладала существенным недостатком.
При увеличении анодного напряжения и неизменном магнитном
поле количество электронов, оседающих на катод, резко увеличи-
валось, что приводило к дополнительному разогреву катода за счет
обратной бомбардировки и, следовательно, к увеличению эмиссии
и анодного тока. Работа генератора становилась неустойчивой и да-
же происходили срывы колебаний. Поэтому необходимо было изме-
нять напряжение накала таким образом, чтобы сохранить режим
ограничения эмиссии, являющийся определяющим фактором в про-
цессе перестройки частоты путем изменения анодного напряжения.
Подобная конструкция митрона не получила распространения,
поскольку необходимость регулировки напряжения накала при изме-
нении анодного потенциала требовала применения очень сложных
и громоздких механических приспособлений. Не всегда было возмож-
но в этом случае подобрать оптимальный токовый режим, обеспечи-
5
вающий стабильную электрическую перестройку генерируемой ча-
стоты.
Чтобы обеспечить эффективное ограничение анодного или взаи-
модействующего тока, Уилбур и Питерс предложили вынести эмит-
тирующий катод из пространства взаимодействия и установить на
его месте электрод, необходимый для создания радиального элек-
трического поля. Этот электрод был назван «холодным» катодом.
Введение кольцевого электронного пучка в пространство взаимодей-
Рис. 1. Схематическое изображение митрона с эмигрирующим
катодом в пространстве взаимодействия:
/ — магнитная система; 2 — встречно-штыревая анодная структура,
3 — эмиттирующий катод.
ствия в этом случае осуществляется с помощью потенциала допол-
нительного, так называемого управляющего, электрода.
Современный мигрон состоит из трех основных узлов (рис. 2):
1) генератор-вакуумной оболочки, объединяющей анодную
структуру, электронную пушку и «холодный» катод;
2) низкодобротной колебательной системы с выводом энергии;
3) магнитной системы.
Высокочастотная или анодная структура прибора должна допу-
скать широкую полосу настройки и простое сочленение с внешней
колебательной системой малой добротности. Поэтому в качестве
анодной системы мигрона используют встречно-штыревую структу-
ру, свернутую в кольцо, которая наиболее удачно отвечает этим
условиям (рис. 3, 4). Штыревая структура 1 укреплена на двух
6
дисках 2; число штырей зависит от рабочего диапазона генерируе-
мых частот и колеблется у современных митронов от 2 до 18.
Спиральный эмиттирующий катод 3 из торированного вольфра-
ма вынесен из пространства взаимодействия и вместе с управляю-
щим электродом 4 образует электронную пушку (рис. 3). Управляю-
щий электрод имеет коническую внутреннюю поверхность. При со-
общении ему положительного напряжения t/ynp образуется осевая
составляющая электрического поля, под действием которой электро-
Рис. 2. Общий вид митрона с магнитной системой:
1 — генератор-вакуумная оболочка; 2 — колебательная система с выво-
дом энергии, 3 — магнитная система.
ны поступают в пространство взаимодействия. В рассматриваемой
конструкции электронной пушки эмиттирующий катод защищен от
обратной бомбардировки электронами, что создает необходимые ус-
ловия для ограничения величины взаимодействующего тока. Величи-
ну этого тока, а следовательно, и выходную мощность митрона
регулируют, изменяя напряжение управляющего электрода.
«Холодный» катод 6 в совокупности с анодной структурой и
электронной пушкой образует переходную область 5 для электрон-
ного пучка (рис. 3). Электронный пучок прежде чем вступить во
взаимодействие с высокочастотным полем анодной структуры, в пе-
реходной области попадает в пространство перепада потенциала,
которое образуется вследствие разности напряжений управляющего
электрода и анода. Поэтому конфигурация и геометрические раз-
меры «холодного» катода оказывают существенное влияние на
7
Рис. 3. Конструкция митрона с вынесенным из пространства
взаимодействия эмигрирующим катодом:
1 — анодная система; 2 — кольца для крепления анодных штырей, 3 —
эмиттирующий катод; 4 — управляющий электрод; 5 — переходная
область; 6 — холодный катод, 7 — керамические шайбы; 8 — магнитная
система.
Рис. 4. Схематическое изображение анодной структуры с «хо-
лодным» катодом:
1 — штыри анодной структуры; 2 — кольца для закрепления штырей;
3 — «холодный» катод
параметры электронного пучка, вводимого в пространство взаимо-
действия, и, как будет показано далее, на выходные характеристи-
ки митрона.
Анодную структуру с «холодным» катодом и электронной пуш-
кой помещают в вакуумный баллон, который образуется торцевыми
дисками и тремя керамическими шайбами 7 (рис. 3). Скомпонован-
ная таким образом генератор-вакуумная оболочка устанавливается
в широкополосной внешней колебательной системе между полюс-
ными наконечниками постоянного магнита так, чтобы направление
силовых линий магнитного поля совпадало с осью эмиттирующего
и «холодного» катодов. Для эффективного взаимодействия электрон-
ного пучка с высокочастотным полем анодной структуры необходи-
мо, чтобы магнитное поле в пространстве взаимодействия было
однородным. Распределение поля зависит от конфигурации и гео-
метрических размеров полюсных наконечников постоянного магнита.
Внешняя (низкодобротная) колебательная система митрона яв-
ляется промежуточным звеном между анодной структурой генера-
тор-вакуумной оболочки и высокочастотной нагрузкой. Она Создает
необходимую величину активной составляющей сопротивления меж-
ду штырями высокочастотной анодной структуры.
Колебательные системы митронов различных типов отличаются
лишь конструкцией элемента связи с внешней нагрузкой, т. е. вы-
водом энергии.
Меняя электрические характеристики вывода энергии (индуктив-
ность и емкость), можно регулировать величину связи между коле-
бательной системой митрона и высокочастотной нагрузкой. При этом
будут изменяться добротность внешней колебательной системы (ве-
личина ее активного сопротивления), а следовательно, и уровень
генерируемой выходной высокочастотной мощности. Чем выше до-
бротность внешней колебательной системы, тем уже полоса элек-
трической перестройки и тем большую высокочастотную мощность
генерирует митрон и наоборот.
Например, у мощных современных митронов добротность внеш-
ней колебательной системы находится в пределах 5—10 и выходная
высокочастотная мощность изменяется соответственно от 10 до
150 вт при полосе электрической перестройки генерируемой частоты
от 5 до 20%. У маломощных й средней мощности митронов доброт-
ность внешней колебательной системы лежит в пределах 1,5—5, вы-
ходная мощность изменяется соответственно от десятков милливатт
до 10 вт при полосе электрической перестройки генерируемой ча-
стоты в пределах от 1,5 октавы до 30%.
Конструкции внешних колебательных систем митронов подраз-
деляются на два основных типа в зависимости от диапазона гене-
рируемых колебаний.
К первому типу относятся колебательные системы, выполненные
в виде тороидального резонатора (рис. 5), связанных П-образных
отрезков волновода, а также их модификации. Рассмотрим основ-
ные конструкции указанных выше колебательных систем.
В емкостной части тороидального резонатора 1 помещается
генератор-вакуумная оболочка с анодной структурой митрона 2,
при этом вносимая дополнительная емкость увеличивает собствен-
ную емкость внешней колебательной системы. Вывод электромагнит-
ной энергии осуществляется с помощью коаксиально-полоскового
перехода 3. При этом анодные кольца 4 высокочастотной структуры
2—353 9
митрона оказываются непосредственно присоединенными к внутрен-
нему и внешнему проводникам коаксиальной линии передачи.
Недостаток тороидальных колебательных систем состоит в том,
что они не позволяют получить полосу электрической перестройки
генерируемой частоты митрона в пределах октавы при уровне вы-
ходной высокочастотной мощности выше одного ватта. Тороидаль-
ные колебательные системы применяются главным образом в узко-
полосных митронах средней и большой мощности.
Широко используются колебательные системы, состоящие из
двух сильно связанных нагруженных П-образных волноводов
Рис. 5. Митрон с тороидальной колебательной системой:
/ — емкостная часть колебательной системы; 2 — генератор-вакуумная
оболочка; 3 — вывод энергии; 4 — анодные кольца.
(рис. 6). Двухконтурная колебательная система образуется коротко-
замкнутыми отрезками П-образных волноводов и /г.
Между контурами, в один из которых входит генератор-вакуум-
ная оболочка, а в другой — вывод энергии, включена волноводная
линия связи.
В общем случае колебательная система представляет собой
П-образный волновод. Короткозамкнутый участок длиной 1\ с вол-
новым сопротивлением Zoi, имеющий индуктивное сопротивление,
вместе с включенной на его конце емкостью генератор-вакуумной
оболочки Со образует параллельный контур; второй колебательный
контур образуется параллельно включенными индуктивностью ко-
роткозамкнутого отрезка волновода длиной /г с волновым сопро-
тивлением z02 и емкостью неоднородности в месте присоединения
вывода энергии Сн.
Между этими контурами включается волноводная линия связи
длиной /с с волновым сопротивлением Zo. Линия связи вместе с вы-
водом энергии 1 так же, как и в случае тороидальной системы,
определяет величину связи с высокочастотной нагрузкой.
Применение П-образных двухконтурных колебательных систем
позволяет существенно расширить полосу генерируемых частот (до
1,5 октавы) при сравнительно большом уровне выходной высоко-
частотной мощности (около 2 вт). В рассматриваемом случае ши-
рокая полоса электрической перестройки генерируемой частоты (при
достаточно большом уровне активного сопротивления, обеспечиваю-
щем повышенную выходную мощность) получается вследствие того,
10
что резонансная кривая связанных колебательных контуров являет-
ся двугорбой. Расстояние между резонансными кривыми контуров
подбирают изменением электрических характеристик (индуктивности
и емкости) линии связи 1С.
Ко второму типу колебательных систем, которые также широ-
ко применяются в митронах, относится объемный резонатор в виде
прямоугольного волновода.
Рис. 6. Схематическое изображение колебательной системы:
/ — вывод энергии; 2 — генератор-вакуумная оболочка; 3 — П-образный
волновод.
В одном из концов прямоугольного волновода помещается ге-
нератор-вакуумная оболочка 1 так, чтобы анодные кольца высо-
кочастотной структуры 2 замыкали две противоположные стенки
(рис. 7).
Со стороны генератор-вакуумнои оболочки волновод закрывают
пластиной или устанавливают там подстроечный плунжер 5, позво-
Рис. 7. Схематическое изображение колебательной системы
митрона в виде прямоугольного волновода:
/ — генератор-вакуумная оболочка; 2 — кольца крепления высокочастот-
ной структуры; 3 — настроечный винт (плунжер); 4 — трансформатор
волнового сопротивления.
ляющий регулировать электрические характеристики контура, кото-
рый образуется емкостью вакуумной оболочки и индуктивностью
плунжера. Участок волновода 4 представляет собой трансформатор
волнового сопротивления, который позволяет осуществить плавный
переход к сечению стандартного волновода. Генерируемые митро-
ном высокочастотные колебания через трансформатор волнового
сопротивления поступают к внешней нагрузке.
2* И
Описанный тип колебательной системы применяется в митро-
нах, предназначенных для работы в однооктавном частотном диа-
пазоне и преимущественно в коротковолновой части сантиметрового
диапазона длин волн.
1.2. СУЩНОСТЬ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В МИТРОНЕ
Обычно митрон, так же как и магнетрон, работает в режиме
л-вида колебаний. На рис. 8 изображена модель, предложенная
Уилбуром и Питерсом, для иллюстрации работы митрона совместно
с сильнонагруженной колебательной системой в режиме магнетрон-
ных колебаний [5]
Рис. 8. Схема, иллюстрирующая работу митрона вместе с на-
груженной колебательной системой в режиме магнетронных
колебаний.
Штыри анодной системы присоединены к двум клеммам ко-
лебательной системы таким образом, что в режиме колебаний л-вида
все штыри одного знака одновременно находятся под одним и тем
же высокочастотным потенциалом (рис. 8). Колебательная система
представлена параллельным колебательном контуром LC, нагру-
женным на сопротивления внешней нагрузки /?; С—междуштыре-
вая емкость (емкость генератор-вакуумной оболочки), L — индуктив-
ность, создаваемая волноводной или тороидальной колебательной
системой. Общую конфигурацию вращающегося электронного за-
ряда в модели, показанной на рис. 8, в режиме установившихся
колебаний можно сравнить со спицами вращающегося колеса.
Рассмотрим более подробно механизм установления колебаний
в митроне, генерирования колебаний и электрической перестройки
частоты.
В первоначальной фазе возникновения колебаний внешняя ко-
лебательная система остается пассивным элементом, поскольку на-
12
веденные высокочастотные токи, которые протекают в ней в этот
период, настолько незначительны, что не могут оказать существен-
ного влияния на процессы генерирования.
Кольцевой электронный поток, инжектируемый электронной пуш-
кой, поступает в пространство взаимодействия, образованное высо-
кочастотной анодной структурой и аксиально расположенным «хо-
лодным» катодом. Пространственный заряд под действием только
статических электрического и магнитного полей вращается вокруг
«холодного» катода, причем угловая скорость вращения определяет-
ся отношением напряженности этих полей Е///. В таком замкнутом
кольцевом электронном потоке в пространстве взаимодействия воз-
никают азимутальные уплотнения (сгустки) вследствие флюктуа-
ционных изменений плотности пространственного заряда. Периодич-
ность этих уплотнений, или сгустков, устанавливается и поддержи-
вается далее заданным распределением электрических полей в сим-
метричной анодной структуре.
Азимутальные уплотнения приводят к возникновению электрон-
но^волновых колебаний, причем генерируемая длина волны подчи-
няется в этом случае известному соотношению
где — радиус анодной системы;
Н — напряженность магнитного поля;
U& — анодное напряжение.
Электронно-волновые колебания могут иметь неограниченный
спектр генерируемых частот, причем амплитуда их незначительна.
Азимутальные уплотнения электронов, вращающихся вокруг
«холодного» катода, наводят переменные токи в штыревой анодной
структуре. Эти токи увеличивают высокочастотное напряжение меж-
ду штырями, а высокочастотный потенциал, в свою очередь, ока-
зывает воздействие на вращающийся пространственный заряд,
уплотняя еще больше сгустки электронов. Таким образом, создается
механизм обратной связи, обеспечивающий качественный переход
от электронно-волновых колебаний к колебаниям магнетронного
типа, причем электронно-волновые колебания из-за малой амплиту-
ды подавляются полностью.
Далее процесс развивается следующим образом. Усиленные
флюктуации пространственного заряда создают ток в колебатель-
ной системе LC (рис. 8). Возникшие высокочастотные токи коле-
бательной системы увеличивают высокочастотный потенциал на
штырях анодной структуры, в результате чего группирующее воз-
действие на вращающийся пространственный заряд еще больше
усиливается. Электронный поток формируется в четко выраженные
«спицы», т. е. в сгустки пространственного заряда, напоминающие
электронные спицы генерирующего магнетрона.
Под действием радиального электрического поля электроны
в сгустках движутся в направлении от «холодного» катода к анод-
ной структуре по сложной траектории и попадают в тормозящую
фазу (отрицательную) высокочастотного поля. В этом случае по-
тенциальная энергия электронов (определяемая разностью потенциа-
лов между анодной системой и эквипотенциальна на которой рас-
13
положен каждый из электронов в сформированном сгустке) пере-
ходит в высокочастотную энергию электромагнитного поля анодной
структуры, а также в кинетическую энергию вращения вокруг катода
и радиального переноса.
Для поддержания постоянного энергообмена между электрон-
ным потоком и высокочастотным полем электронные уплотнения
(сгустки) должны в анодной структуре возбуждать высокочастот-
ную волну, которая распространяется со скоростью, примерно рав-
ной скорости перемещения сгустков вокруг катода. Если митрон
генерирует высокочастотные колебания л-вида, то при частоте f
электронный сгусток, который перемещается вокруг катода со ско-
ростью v—EjH, должен за полупериод высокочастотных колебаний
переместиться на расстояние а, равное расстоянию между подоб-
ными точками соседних штырей высокочастотной анодной структуры.
Только при этом условии электронный сгусток все время будет
попадать в отрицательную фазу высокочастотного поля. Это усло-
вие является, как было указано выше, необходимым для энерго-
обмена между сгруппированным в сгустки электронным потоком
и высокочастотной волной.
Расстояние между сходственными точками штырей анодной
структуры равно a=u/2f. Если не учитывать величины простран-
ственного заряда, то в первом приближении электрическое поле Е
можно выразить через анодный потенциал £/&с, при котором наблю-
дается синхронное движение электронных сгустков и волны:
где I — расстояние между анодной структурой и «холодным» ка-
тодом.
Принимая во внимание, что
E=vH. v=2fa, U&c=El
и преобразуя ранее выведенные формулы, получаем линейную за-
висимость
U^c—2Hfal. (2)
Средняя величина а и расстояние I для цилиндрической кон-
струкции анодной структуры и «холодного» катода равны соответ-
ственно (рис. 8)
а = Jj (гл + гк) (3)
И
= г а — к»
где 2V —число штырей, а га и гк —радиусы анода (или простран-
ства взаимодействия) и «холодного» катода соответственно.
Анодное напряжение синхронизации в этом случае будет равно
„ас = QHfr2a[ ! _
14
где
Таким образом, при постоянном магнитном поле и заданной ге-
ометрии пространства взаимодействия между генерируемой частотой
и анодным напряжением получается линейное соотношение. Ука-
занная зависимость для митронов была предложена Бойдом и Пи-
терсом [6].
Анодное напряжение синхронизации представляет собой некото-
рый нижний предел, поскольку магнетронные колебания возникают,
когда постоянное анодное напряжение несколько выше значения,
определяемого формулой (4). Энергия электронов, соответствующая
анодному напряжению синхронизации, расходуется в основном на
группировку электронов в сгустки и синхронное вращение вокруг
катода, т. е. на поддержание незатухающих колебаний.
Уровень выходной высокочастотной мощности зависит главным
образом от величины А£/а, на которую рабочее анодное напряжение
превышает напряжение синхронизации. В данном случае энергия
электронов превышает величину энергии, необходимой для поддер-
жания процесса генерирования сверхвысокочастогных колебаний,
и может дополнительно передаваться высокочастотному полю.
Физическая сущность электрической перестройки частоты в ми-
троне заключается в следующем.
При повышении анодного напряжения возрастает величина ра-
диального электрического поля в пространстве взаимодействия меж-
ду «холодным» катодом и встречно-штыревой анодной системой,
так как
r t/ac + At/a ...
£ — j . (5)
Вследствие этого увеличивается скорость вращения электрон-
ных сгустков вокруг «холодного» катода, равная v=EjH.
При постоянной величине напряженности магнитного поля Н
и неизменных размерах анодной системы для поддержания колеба-
ний должна повыситься частота высокочастотных импульсов, наво-
димых электронными уплотнениями в анодной системе, а следова-
тельно, должна возрасти частота колебаний, генерируемых митро-
ном.
2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
МИТРОНОВ
2.1. ПОЛОСА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ,
ЛИНЕЙНОСТЬ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Полосой, или диапазоном, электрической перестройки митрона
называется интервал частот, генерируемых митроном при измене-
нии рабочего анодного напряжения от минимального до максималь-
ного значения. Экспериментально установлено, что при заданных
конфигурации и размерах анодной системы у широкополосных ми-
тронов частота слабо зависит от свойств внешней колебательной
15
системы и определяется только электрическими параметрами MHTpOj
на. Изменением последних можно получить диапазон электрической
перестройки, в котором максимальная частота относится к минималь-
ной как 3:1.
Основным отличием митрона от других СВЧ приборов с элек-
трической перестройкой частоты является линейная зависимость
генерируемой частоты от величины потенциала анодной структуры
Рис. 9. Реальная (кривая 2) и идеализированная (кривая /)
частотные характеристики митрона.
митрона (анодного напряжения). Согласно выражениям (4) и (5)
эту зависимость можно представить в виде
, tfac + Atfa
—й—
(6)
где f — частота генерируемых -колебаний;
[/ac+At/a — рабочее напряжение анода;
Н — напряженность магнитного поля в области простран-
ства взаимодействия;
k — коэффициент, учитывающий конструктивные факторы
митрона.
Однако, как показали эксперименты, зависимость частоты от
анодного напряжения в митроне не является строго линейной.
Распределение пространственного заряда в электронном пучке, ре-
активная составляющая сопротивления внешней колебательной си-
стемы оказывают сложное (в настоящее время недостаточно изу-
ченное) действие на процесс электрической перестройки генерируе-
мой частоты, что приводит к незначительным отклонениям частот-
ной характеристики митрона от линейного закона (рис. 9).
Под нелинейностью частотной характеристики AfH митрона сле-
дует понимать величину отклонения реального закона изменения
генерируемой частоты от линейного. Это отклонение выражают в аб-
солютных значениях или в относительных единицах. Для определе-
ния нелинейности частотной характеристики митрона и любого дру-
16
того генератора можно воспользоваться спектральным методом изме-
рения модуляционных характеристик СВЧ генераторов, предложен-
ным М. И. Карлинером и Н. С. Иофиным.
Упрощенная схема измерения линейности частотной характери-
стики митрона изображена на рис. 10. Сущность метода состоит
в следующем. На анод генерирующего митрона от генератора стан-
дартных сигналов (ГСС-6) подают синусоидальное модулирующее
напряжение, амплитуда которого измеряется вольтметром МВ Л-2.
На выходе митрона получается частотно-модулированный сигнал,
спектр которого можно наблюдать с помощью анализатора спектра
(С4-5).
Рис. 10. Схема для измерения частотных характеристик
митронов.
В этом случае крутизну электрической перестройки частоты ми-
трона можно выразить как
(7)
где Af — отклонение частоты частотно-модулированного сигнала от
среднего значения;
Um — амплитуда модулирующего напряжения, измеряемая вольт-
метром (МВЛ-2).
Отклонение частоты от среднего значения определяется из соотно-
шения
Af=/nF, (8)
где т — индекс модуляции;
F — частота модуляции (частота сигнала, подаваемого на анод
митрона от генератора ГСС-6).
Изменяя амплитуду модулирующего сигнала, можно привести к
нулю амплитуду несущей частоты, что хорошо наблюдается на
экране анализатора спектра. В этом случае величина индекса мо-
дуляции т равна первому корню функции Бесселя, т. е. 2,4. Окон-
чательно формула для определения крутизны электрической пере-
стройки частоты митрона принимает вид
2.4F
Sf — и
Um
17
Вычислив крутизну электрической перестройки частоты митрона
в каждой точке рабочего диапазона при известном анодном на-
пряжении (анодное напряжение обычно измеряют цифровым вольт-
метром большой точности), можно построить график частотной ха-
рактеристики митрона и определить ее нелинейность. Описанный
метод позволяет измерять нелинейность частотной характеристики
митрона с погрешностью не более 0,3%.
Степень приближения реальной частотной характеристики
к линейному закону определяет качество митрона и возможности
его использования в радиоаппаратуре, где линейность частотной
характеристики является одним из основных параметров.
Отклонение частотной характеристики от прямой линии у широ-
кополосных митронов во всем диапазоне электрической перестройки,
как правило, не превышает ±1% относительно средней частоты ра-
бочего диапазона, а для узкополосных митронов повышенной мощ-
ности это отклонение оказывается несколько больше, потому чтб
существенное влияние на генерируемую ими частоту оказывает
более добротная внешняя колебательная система.
2.2. ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ, НЕРАВНОМЕРНОСТЬ
АМПЛИТУДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
В митроне, как и в люболМ генераторе СВЧ, происходит пре-‘
образование энергии постоянного электрического поля в энергию
сверхвысокочастотных колебаний. Уровень генерируемой выходной
мощности митрона, как уже указывалось выше, существенно зависим
Рис. 11. Зависимость выходной мощности, анодного тока и ге-
нерируемой частоты от изменения анодного напряжения для
митрона с узким диапазоном электрической перестройки
частоты.
от величины активного сопротивления внешней колебательной си-
стемы, которое, в свою очередь, определяется ее добротностью и
полосой пропускания.
При узком диапазоне электрической перестройки частот (в пре-
делах 5—20%) митроны имеют выходную мощность 3—150 вт, при-
18
чем перепад мощности по диапазону не превышает 2—3 дб при
к. п. д. 30—40%.
Характер изменения уровня выходной мощности и частотная
характеристика одного из митрюнов, сконструированного для пере*
крытия малой полосы частот (около 15%), показаны на рис. 11.
Митрон имел 18-штыревую анодную структуру и внешнюю колеба-
тельную систему в виде П-образного волновода.
При широком диапазоне электронной перестройки выходная
Рис. 12. Зависимость выходной мощности, анодного тока и ге-
нерируемой частоты от изменения анодного напряжения для
митрона с широкой полосой электрической перестройки ча-
стоты.
стотной мощности по диапазону электрической перестройки не пре-
вышает 2—5 дб, а к. п. д. составляет 15—25%.
На рис. 12 приведены характеристики широкополосного митрона
10-см диапазона длин волн, который имеет 12-штыревую анодную
структуру и внешнюю колебательную систему типа тороидального
резонатора.
Неравномерность амплитудной характеристики узкополосных и
широкополосных митронов определяется в основном изменением
величины активного сопротивления внешней колебательной системы
по диапазону электрической перестройки (т. е. величиной ее до-
бротности) и неравномерностью коэффициента стоячей волны на-
пряжения (КСВН) высокочастотной нагрузки, приводящей к от-
ражению высокочастотной мощности от нагрузки и, следовательно,
к изменению режима генерирования СВЧ колебаний.
У широкополосных митронов с электрической перестройкой по
частоте в пределах октавы и более неравномерность амплитудной
характеристики не превышает 4—5 дб во всей полосе генерируемых
длин волн. У митронов, предназначенных для генерирования высо-
кочастотных колебаний в узкой полосе частот, эта величина не пре-
вышает 1—2 дб.
19
2.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРАВЛЯЮЩЕГО ЭЛЕКТРОДА
И СТАБИЛИЗАЦИЯ МОЩНОСТИ ВВЕДЕНИЕМ ОБРАТНОЙ
СВЯЗИ
Конструкция электронной пушки митрона позволяет регулиро-
вать уровень выходной высокочастотной мощности митрона, изменяя
напряжение на управляющем электроде. Такая регулировка основа-
на на изменении величины вводимого в пространство взаимодействия
электронного (анодного) тока.
Пределы управления выходной мощностью митрона путем изме-
нения напряжения на управляющем
Рис. 13. Положение эмигрирующе-
го катода относительно управ-
ляющего электрода:
1 — анодная структура; 2 — управляю-
щий электрод; 3 — эмигрирующий
катод.
уровень выходной высокочастотной
электроде определяются, глав-
ным образом, расположением
торцевой поверхности эмигри-
рующего катода относительно
верхней кромки управляю-
щего электрода (размер А&
на рис. 13).
У современных митронов
расстояние ЛЬ составляет 0,2—
0,5 мм. Если требуются значи-
тельные пределы управления
выходной мощностью (напри-
мер для широкополосных ми-
тронов малой мощности), то
глубину посадки эмигрирующе-
го катода берут равной 0,5 мм.
В этом случае катод хорошо
защищен от проникновения
в область пушки электрическо-
го поля анодной структуры, и
мощности определяется только
величиной напряжения на управляющем электроде.
У мощных и средней мощности митронов расстояние А6 при-
мерно равно 0,2 мм. Увеличение расстояния АЬ относительно ука-
занного предела не позволяет практически получить при любом
напряжении на управляющем электроде величину взаимодействую-
щего тока, достаточную для генерирования повышенной выходной
высокочастотной мощности. Предел регулировки выходной мощности
путем изменения управляющего напряжения у этих митронов не-
сколько меньше, чем у широкополосных малой мощности.
При регулировке выходной высокочастотной мощности напря-
жением управляющего электрода одновременно происходит изме-
нение частоты генерируемых колебаний. Это явление связано с из-
менением взаимодействующего тока (величины пространственного
заряда), которое приводит к изменению действительной величины
анодного потенциала, а следовательно, и синхронной скорости вра-
щения вокруг «холодного» катода сгустков электронного облака.
У широкополосных митронов малой мощности по сравнению
с узкополосными повышенной мощности изменение генерируемой
частоты в процессе регулировки уровня выходной мощности управ-
ляющим напряжением несколько больше, поскольку в данном слу-
чае изменение взаимодействующего тока происходит в более широ-
ких пределах.
20
Рис. 14. Зависимость выходной мощности,
генерируемой частоты и анодного тока от
напряжения на управляющем электроде
у широкополосного митрона.
(3 — точка перегиба характеристики.)
На рис. 14 и 15 показаны зависимости выходной высокочастот-
ной мощности и частоты от напряжения управляющего электрода
при постоянном напряжении анодной системы и постоянной велмчи-
Рис. 15. Зависимость выходной мощности, генерируемой ча-
стоты и анодного тока от напряжения на управляющем элек-
троде у митрона с узким диапазоном электрической пере-
стройки.
амплитудных характеристик соответствуют граничным величинам
управляющего напряжения, при которых начинается интенсивный
перехват электронов управляющим электродом. При этом наблю-
дается резкое уменьшение анодного тока.
21
Четкую регулировку уровня выходной мощности управляющим
напряжением в рабочем диапазоне частот у широкополосных митро-
нов удается осуществить в пределах до 10 дб, изменение частоты
при этом составляет примерно 20 Мгц, у митронов с малой поло-
сой электрической перестройки (до 5 дб) частота изменяется на
10—45 Мгц.
В большинстве случаев при проектировании радиоэлектронной
аппаратуры с применением митронов приходится принимать специ-
альные меры для выравнивания амплитудной характеристики в ра-
бочем диапазоне электрической перестройки генерируемой частоты.
Рис. 16. Блок-схема системы автоматической регулировки вы-
ходной мощности.
Автоматическая регулировка уровня выходной мощности мит-
рона может быть осуществлена с помощью несложного устройства
с амплитудным детектором (рис. 16). *
Выходной сигнал митрона через направленный ответвитель (НО)
с плоской характеристикой поступает на амплитудный детектор Д.
При увеличении выходной высокочастотной мощности митрона
в процессе перестройки частоты происходит увеличение амплитуды
сигнала, поступающего с детектора Д на вход усилителя постоян-
ного тока (УПТ). С выхода усилителя постоянного тока напряжение
отрицательной полярности подается на вывод питания управляющего
электрода. Это напряжение компенсирует часть постоянного управ-
ляющего напряжения и уменьшает таким образом уровень выходной
высокочастотной мощности. При снижении уровня выходной мощ-
ности митрона уменьшается отрицательное напряжение на выходе
усилителя, постоянное напряжение на управляющем электроде воз-
растает и генерируемая митроном мощность увеличивается.
В обоих случаях опорное (постоянное) управляющее напряже-
ние, подаваемое с блока питания управляющего электрода, под-
держивается постоянным. Таким образом, получается самобаланси-
рующаяся система, «нулевой» уровень (уровень баланса) которой
подбирается начальной регулировкой постоянного напряжения на
выходе усилителя постоянного тока в тот момент, когда на его
выходе сигнал отсутствует.
22
2.4. СКОРОСТЬ ЧАСТОТНОЙ И АМПЛИТУДНОЙ
МОДУЛЯЦИЙ
Для практического применения митронов большое значение
имеет величина скорости, с которой возможно осуществлять частот-
ную и амплитудную модуляцию генерируемого сигнала.
Если на анод митрона подать переменное напряжение (напря-
жение модуляции), то можно получить в рабочем диапазоне при-
бора автоматическое изменение генерируемой частоты (частотную
модуляцию). Закон изменения частоты в этом случае определяется
формой «модулирующего напряжения.
Частота модулирующего напряжения, подаваемого «а анод мит-
рона для автоматической электрической перестройки частоты, может
быть того же порядка, что и частота генерируемых колебаний, по-
скольку время установления колебаний в митроне соизмеримо с пе-
риодом генерируемой частоты. Это явление объясняется тем, что
одновременно с изменением анодного напряжения происходит из-
менение скорости вращения электронных сгустков в пространстве
взаимодействия вокруг «холодного» катода и, следовательно, изме-
няется генерируемая частота.
Амплитуда модулирующего напряжения не должна превышать
величину анодного напряжения, требуемого для электрической пе-
рестройки частоты в заданных пределах. Если модулирующее напря-
жение превышает анодное напряжение, необходимое для частотной
перестройки, митрон работает неустойчиво, в нем могут происходить
срывы колебаний.
Управлять колебаниями высокой частоты митрона можно при
помощи переменного напряжения, подаваемого на управляющий
электрод (амплитудная модуляция). Частота напряжения модуляции
может быть такой же, что и частота генерируемых митроном ко-
лебаний. Одновременно с изменением величины управляющего на-
пряжения меняется плотность электронных сгустков в пространстве
взаимодействия, а значит, и уровень генерируемой выходной высо-
кочастотной мощности.
2.5. СПЕКТР КОЛЕБАНИЙ МИТРОНА
Исследование спектра генерируемых колебаний митрона показа-
ло, что он занимает некоторую полосу частот и не является моно-
хроматическим. Такое расширение спектральной линии митрона обу-
словлено не только хаотическими флюктуациями электронов в про-
странстве взаимодействия, но также нестабильностью питающих на-
пряжений. Степень этого влияния в конечном счете определяется
величиной крутизны по частоте на каждом из электродов митрона
(см. § 2.7).
У мощных митронов, работающих в узком диапазоне электри-
ческой перестройки, спектр генерируемых колебаний уже, чем у
широкополосных митронов. Это объясняется тем, что у них доброт-
ность внешней колебательной системы и значение высокочастотного
потенциала выше, чем у широкополосных митронов. Поэтому воз-
действие поля на электронный поток в узкополосных митронах ока-
зывается более сильным.
23
2.6. АМПЛИТУДНЫЕ ШУМЫ И ПАРАЗИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ
Уровень собственных шумов митронов и появление паразит-
ных колебаний, как было показано Уилбуром и Питерсом, находятся
в прямой зависимости от флюктуаций, возникающих в сгустках
электронного потока. Флюктуации возникают вследствие неточной
установки деталей внутри прибора, несоосности магнитного поля
и пространства взаимодействия, его неоднородности, а также из-за
Рис. 17. Распределение амплитудных шумов митрона (кри-
вая /), ЛОВ типа О |(кривая 2), клистрона (кривая 3) при
отстройке от несущей.
влияния на сгустки высокочастотных токов внешней колебательной
системы.
Кроме того, уровень собственных шумов митронов сильно
зависит от величины аксиальной (направленной вдоль силовых ли-
ний магнитного поля) составляющей скорости электронов, посту-
пающих в пространство взаимодействия.
Величину аксиальной (осевой) составляющей скорости электро-
нов можно менять, выбирая конфигурацию и геометрические разме-
ры переходной области между электронной пушкой и анодной си-
стемой. Уменьшение величины аксиальной составляющей скорости
электронов резко понижает уровень собственных шумов митронов.
У зарубежных митронов отношение мощности полезного сигна-
ла к мощности амплитудных шумов Рс/Рш в полосе 1 гц находится
в пределах ПО—120 дб/гц, а у лучших образцов, в которых приняты
специальные меры для уменьшения шумов Рс/Рш, составляет 130—
150 дб!гц. Существенной особенностью митрона является равномер-
ное распределение уровня собственных амплитудных шумов при рас-
стройке от несущей на 0,01—30 Мгц в то время, как у ЛОВ типа О,
отражательных клистронов, хотя их общий уровень шумов и мень-
ше, чем у митронов, наблюдается резкое увеличение отношения
Рс!Рш в полосе 1 гц вблизи несущей.
На рис. 17 показан характер распределения мощности собствен-
ных шумов при отклонении от несущей для митрона, ЛОВ типа О,
клистрона.
24
2.7. ИЗМЕНЕНИЕ ГЕНЕРИРУЕМОЙ ЧАСТОТЫ
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ ПИТАНИЯ
Отношение величины изменения частоты Afi к величине соот-
ветствующего изменения анодного напряжения в процессе элек-
трической перестройки в рабочем диапазоне длин волн митрона
определяет крутизну частотной характеристики по анодному напря-
жению Sa=Afi/At/i. Крутизну частотной характеристики Sa можно
рассчитать по формуле
М
Sa = / 9 GO)
2 -Hrl ( 1 — )
\ rJ
Анализируя выражение (ilO), можно сделать вывод, что крутизна
возрастает при увеличении числа штырей N анодной структуры и
при уменьшении величины напряженности магнитного поля Н
и радиуса анода га.
Поскольку у митрона частота линейно зависит от анодного на-
пряжения, то можно считать, что крутизна Sa в полосе электриче-
ской перестройки является величиной постоянной.
У современных митронов различного назначения крутизна ча-
стотной характеристики по анодному напряжению изменяется в пре-
делах от 0,5 до 5 Мгц в зависимости от геометрических размеров
пространства взаимодействия и величины магнитного поля.
Ранее отмечалось, что изменение напряжения на управляющем
электроде приводит к некоторому изменению генерируемой митронэм
частоты при фиксированном анодном напряжении. Поскольку это
явление связано с изменением частоты, то в данном случае возника-
ет понятие о крутизне по управляющему напряжению Synp. Так же,
как и крутизна частотной характеристики по анодному напряже-
нию, Synp определяется отношением величины изменения генери-
руемой частоты к соответствующему изменению напряжения на
управляющем электроде в заданных пределах. Величина Synp зави-
сит от конструкции электронной пушки. У маломощных митронов
крутизна по управляющему напряжению составляет 0,2—0,6 ЛГгц/в,
у мощных и средней мощности — 0,08—0,15 Мгц!в.
Изменение режима работы эмиттирующего катода также при-
водит к изменению генерируемой частоты. По аналогии с первыми
двумя случаями это изменение частоты лучше всего выразить через
крутизну частотной характеристики по напряжению накала SH.
У современных митронов в зависимости от конструкции катода ве-
личина SH изменяется в пределах 5—10 Мгц)в.
2.8. ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ МИТРОНА ОТ РЕЖИМА
РАБОТЫ И УСЛОВИЙ ПРИМЕНЕНИЯ
Работа митрона на внешнюю нагрузку. Одной из отличительных
особенностей митрона является сравнительно жесткое требование
к величине КСВН внешней нагрузки. При работе митрона на на-
грузку с КСВН больше 1,3 его выходные параметры могут суще-
ственно измениться.
3—353 25
При плохом согласовании митрона с высокочастотной на гр уз-
кой часть выходной мощности отразится от нагрузки, возвратится
в анодную структуру и вступит во взаимодействие с вращающимися
электронными сгустками пространственного заряда.
На выходе митрона будет наблюдаться увеличение выходной
мощности, если фазы отраженной и первичной волн совпадают, и,
наоборот, уменьшение выходной мощности, если фазы противопо-
ложны. При изменении параметров высокочастотной нагрузки изме-
няется и частота генерируемых колебаний. Это явление называется
Рис. 18. Характеристики электрической перестройки частоты:
/ — реальная (при наличии отражений от нагрузки); 2 — расчетная
(без учета влияния отражений).
затягиванием частоты. Затягивание частоты вызывается любой при-
чиной, приводящей к изменению коэффициента отражения от на-
грузки. В результате частотная характеристика митрона приобретает
«волнистый» характер, как показано на рис. 18.
Например, для митрона 10-cjh диапазона длин волн степень
затягивания генерируемой частоты при КСВН нагрузки 1,5 состав-
ляет примерно 12 мгц. Уменьшение КСВН нагрузки уменьшает
затягивание частоты.
Если линия передачи, связывающая митрон с нагрузкой, имеет
значительную длину и коэффициент отражения от нагрузки отличен
от нуля, то при изменении анодного напряжения в процессе пере-
стройки будет происходить дополнительное изменение частоты вслед-
ствие изменения фазы коэффициента отражения. При неблагоприят-
ной фазе величину нелинейности можно рассчитать по формуле,
предложенной М. М. Карлинером:
Тч/ 2«nAf\
Мв = ± -jVl-COS-f—), (11)
где п — число волн, укладывающихся по длине линии передачи;
Af — интервал частот, в котором определяется нелинейность;
F\ — затягивание частоты;
fo — резонансная частота.
26
Если расчет производится для узкого интервала частот и короткой
линии передачи, то —1 и формула (11) упрощается:
Fi fnnkf \2
Д/и^±2!(^- (12)
Рассчитаем для примера нелинейность частотной характеристи-
ки митройа 10-с;и диапазона (fo=3 000 Мгц), имеющего диапазон
перестройку 500 Мгц при и=1 для двух значений КСВН нагрузки.
При КСВН нагрузки 1,5 .(/ч ='12 Мгц) отклонение частотной харак-
теристики от прямой линии в полосе 500 Мгц составит «±1,5 Мгц.
Во втором случае при КСВН нагрузки 1,2; Fi = 6 Мгц отклонение
частотной характеристики от прямой линии в той же полосе соста-
вит ±0,7 Мгц.
Приведенные расчетные данные о нелинейности частотных ха-
рактеристик митрона при различном КСВН нагрузки хорошо со-
гласуются с экспериментальными (характеристики различаются не
более чем на 0,25 Мгц).
Влияние на работу митрона изменения температуры окружаю-
щей среды. Изменение температуры окружающей среды приводит
к изменению геометрических размеров анодной структуры, что, в
свою очередь, влечет за собой изменение частоты генерируемых
колебаний. Так как генерируемая частота митрона обратно про-
порциональна напряженности магнитного поля (6), то уход часто-
ты митрона при изменении температуры окружающей среды обус-
ловлен, главным образом, флюктуациями величины напряженности
магнитного поля в рабочем зазоре.
При увеличении температуры окружающей среды величина
магнитного поля в рабочем зазоре уменьшается, что приводит
к увеличению генерируемой частоты и, наоборот, при уменьшении
температуры окружающей среды величина магнитного поля увеличи-
вается, а частота генерируемых колебаний уменьшается.
Указанную зависимость характеризуют температурным коэф-
фициентом частоты (ТКЧ). ТКЧ митронов в зависимости от диапа-
зона генерируемых колебаний находится в пределах 0,1—
0,5 Мгц)град.
Согласно зарубежным данным применением специальных тер-
мокомпенсированных магнитных систем удалось уменьшить ТКЧ
у лучших образцов митронов до величины, равной примерно
0,001 Мгц! град.
Влияние на работу митрона повышенной влажности. Атмосфе-
ра повышенной влажности (95—98%) уменьшает поверхностное
сопротивление материалов, применяемых в митроне, ухудшает их
электрическую прочность, что при наличии высоких напряжений пи-
тания приводит к электрическим пробоям. Кроме того, повышенная
влажность при неудовлетворительной защите коррозирующих мате-
риалов от воздействия влаги разрушает поверхностную часть ми-
трона.
Совместное воздействие повышенной влажности и высокой тем-
пературы может привести к образованию грибковой плесени. Для
защиты митронов от воздействия атмосферы с повышенной влаж-
ностью обычно применяют специальные лаки, краски и другие вла-
3е 27
гозащищающие покрытия. При эксплуатации митронов в условиях
повышенной влажности необходимо предохранять приборы от нару-
шения их влагозащитного покрытия.
Влияние на работу митрона механических воздействий. При
воздействии на митрон вибрационных и ударных нагрузок про-
исходят периодические изменения положения отдельных электродов
прибора, особенно это относится к эмигрирующему катоду, крепле-
ние которого менее жестко, чем остальных элементов. Такое перио-
дическое изменение положения «горячего» катода вызывает изме-
нение тока электронного луча и, следовательно, приводит к допол-
нительной частотной и амплитудной модуляции генерируемых ко-
лебаний. Девиация частоты митронов при механических воздей-
ствиях обычно не больше, чем у ламп обратной волны типа О и
отражательных клистронов.
Эффективная защита от возможных вибрационных и ударных
перегрузок митрона может быть обеспечена применением мягких
амортизаторов (противовибрационная защита) и жестких амортиза-
торов (противоударная защита). Митрон может быть хорошо за-
щищен от вибрационных перегрузок, если амортизаторы рассчита-
ны так, что собственная частота колебаний блока или узла, в кото-
ром он расположен, меньше частоты возбуждающей внешней силы.
Для защиты митрона от ударных перегрузок следует применять
такие амортизаторы, чтобы собственная частота блока была больше
частоты возбуждения.
Влияние на работу митрона внешних магнитных полей и ферро-
магнитных материалов. Работа митрона может быть нарушена воз-
действием на него внешних магнитных полей. Эти поля создаются
элементами радиоаппаратуры, например трансформаторами, дроссе-
лями, ЭВП, имеющими магнитную фокусировку, или расположенны-
ми вблизи от прибора ферромагнитными материалами. Искажение
магнитного поля в рабочем зазоре магнитной системы митрона
существенно ухудшает основные электрические параметры митрона.
Происходит смещение генерируемой частоты, снижается выходная
мощность, а очень большие изменения магнитного поля приводят
к срыву колебаний.
Если внешнее магнитное поле относительно слабое, то после
удаления митрона за пределы его воздействия первоначальные
свойства магнита митрона полностью восстанавливаются и прибор
остается работоспособным. Когда митрон попадает в сильное маг-
нитное поле или его помещают вблизи массивных ферромагнитных
материалов, то в магнитной системе митрона могут произойти не-
обратимые изменения.
Поэтому при проектировании аппаратуры необходимо соблю-
дать меры, предотвращающие возможность попадания митрона
под воздействие сильных магнитных полей. В непосредственной
близости от митрона нельзя размещать элементы, являющиеся ис-
точниками магнитных полей, а также детали из ферромагнитных
материалов.
В последнее время за рубежом появились сообщения, что для
некоторых митронов удалось разработать экранированные магнитные
системы. В этом случае размещение ферромагнитных материалов
в непосредственной близости от митрона с экранированной магнит-
ной системой не приводит к изменению режима генерирования.
28
3. ПРАВИЛА ПРИМЕНЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
МИТРОНОВ
11. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Многообразные случаи применений микронов .в современной
радиоэлектронной аппаратуре в зависимости от ее вида, целевого
назначения и условий эксплуатации накладывают конкретные требо-
вания на их электрические параметры и эксплуатационные характе-
ристики. Если, например, использование митрона как маломощного
генератора требует обеспечения высокой стабильности частоты и
линейности частотной характеристики, то применение митрона в ка-
честве гетеродина приемника выдвигает, кроме того, требование по
снижению амплитудных и частотных шумов.
С другой стороны, если при работе в стационарной аппаратуре
митроны подвергаются сравнительно слабым вибрационным и удар-
ным нагрузкам, то при эксплуатации их в подвижной аппаратуре
эти нагрузки существенно возрастают. Требования к влиянию
повышенной влажности, атмосферного давления, пониженных и по-
вышенных температур также будут значительно различаться в зави-
симости от того, работают ли митроны в наземной или бортовой
аппаратуре, в условиях полярного холода или тропической жары.
Необходимо учитывать режим работы митрона. Он может быть
непрерывным, когда прибор работает без перерыва, например в те-
чение суток, или циклическим, когда прибор периодически вклю-
чается в работу на несколько минут или даже секунд. Последний
режим работы является особенно тяжелым, так как митрон перио-
дически подвергается воздействию тепловых ударов. В результате
этого может произойти преждевременное перегорание нити накала
или нарушение герметичности вакуумного спая металла с керамикой.
Неодинаковы требования и к надежности работы митронов в ра-
диоэлектронной аппаратуре. Естественно, что надежность работы
митронов в самолетной и космической аппаратуре должна быть
значительно выше, чем, например, в измерительной аппаратуре.
Иными словами, если отказ митро-на в измерительной аппаратуре
не связан обычно с какими-либо серьезными последствиями, то
выход его из строя в самолетной аппаратуре может явиться при-
чиной аварии.
Надежность работы митронов в процессе их изготовления обес-
печивается соблюдением всего технологического процесса, качеством
исходных материалов, долговечностью примененного катода, устой-
чивостью параметров магнита, степенью обезгаживания элементов
арматуры и другими факторами. Все современные митроны имеют
прямонакальный катод, который вынесен из пространства взаимо-
действия.
Основными причинами преждевременного выхода из строя като-
да являются перегорание нити накала и замыкание между витка-
ми. Перегорание катода происходит обычно на участках с умень-
шенным сечением или в местах, неоднородных по химическому
составу. Перегорание нити накала происходит также при ухудше-
нии вакуума в митроне. Частичное ухудшение вакуума в митроне
может наступить при появлении микротрещин в спаях металла
с керамикой оболочки прибора или при интенсивном газовыделении
29
деталей внутриламповой арматуры при их перегреве. Перегрев элек-
тродов митрона обычно связан с нарушениями режима работы
митрона или с разъюстировкой прибора (несовпадением осей гене-
ратор-вакуумной оболочки и магнитной системы).
Фактическая надежность работы митронов в радиоэлектронной
аппаратуре может быть больше или меньше по сравнению с вели-
чиной, указанной в технической документации на приборы, в зави-
симости от режима использования и условий эксплуатации прибора.
Это обстоятельство является очень важным, поскольку дает воз-
можность конструкторам аппаратуры активным образом управлять
этим важнейшим параметром. Для повышения фактической надеж-
ности работы митрона параметры и эксплуатационные характери-
стики проектируемой аппаратуры следует выбирать с запасом. Воз-
можность этого обычно предусматривается в технических условиях
путем разделения норм на испытательные и эксплуатационные зна-
чения. Если в технических условиях на митрон не указаны значения
эксплуатационных норм на все или отдельные параметры, то за
расчетные величины при проектировании аппаратуры следует при-
нимать значения параметров примерно на 20—30% ниже испыта-
тельных норм.
Естественно, что повышение надежности митронов указанным
способом неизбежно вызывает дополнительные затраты при их из-
готовлении. Может потребоваться увеличение веса и габаритов,
повышение мощности источников питания и т. д. Поэтому произ-
вольное увеличение запасов по параметрам является нецелесообраз-
ным. Не исключено, конечно, что в особо ответственных случаях
может оказаться необходимым резервирование больших эксплуата-
ционных запасов.
Все сказанное, а также и другие не менее важные моменты,
о которых речь пойдет ниже, должны учитываться при конструиро-
вании новых образцов радиоэлектронной аппаратуры и ее эксплуа-
тации.
Разработка аппаратуры обычно начинается с подбора ком-
плектующих элементов. Правильный и обоснованный их выбор в
значительной мере определяет качество и надежность работы
аппаратуры.
3.2. ВЫБОР МИТРОНА
Электрические параметры митрона, его надежность и эксплуа-
тационные характеристики должны удовлетворять современным тре-
бованиям. При выборе митрона следует также учитывать естествен-
ное изменение параметров в течение срока службы. Изменения
параметров митрона могут происходит в результате «старения»
магнита, ухудшения вакуума, нарушения юстировки и по другим
причинам, связанным с выработкой ресурса времени.
Если к митрону предъявляются повышенные требования, а раз-
работка нового типа митрона нецелесообразна или невозможна, то
могут быть применены меры по улучшению параметров имеющегося
митрона. К таким мерам относятся: амортизация митрона или
блока, в котором намечается его размещение при несоответствии
его механическим требованиям; герметизация блока, когда прибор
не удовлетворяет требо<ваниям по атмосферному давлению; включе-
ние между митроном и нагрузкой вентилей или циркуляторов при
несоответствии по КСВН нагрузки и т. д.
30
Для работы в особых режимах (кодовом, импульсном, дежур-
ном, при циклическом включении и выключении и других) могут
быть использованы только те приборы, которые подвергались со-
ответствующему обследованию и рекомендованы для использования
в таких режимах.
При выборе митронов для применения в проектируемой радио-
электронной аппаратуре необходимо учитывать следующие их пара-
метры и эксплуатационные характеристики:
— рабочий диапазон частот (длин волн);
— уровни минимальной *и максимальной мощности;
— максимальный перепад мощности в рабочем диапазоне;
— крутизну электронной перестройки частоты;
— .максимальный перепад крутизны в рабочем диапазоне ча-
стот;
— нелинейность частотной характеристики в рабочем диапазоне
частот или заданном участке;
— .ширину спектра генерируемых колебаний;
— уровень паразитных (боковых) колебаний;
— стабильность частоты генерируемых колебаний;
— время готовности (время, исчисляемое с момента включения
питающих напряжений до момента, когда параметр, принятый за
критерий оценки, достигает заданного значения);
— величину амплитудных шумов;
— допустимое количество включений и выключений питающих
напряжений (количество циклов);
— гарантированную надежность и долговечность;
— температурный коэффициент частоты (ТКЧ);
— устойчивость к механическим и климатическим воздействиям.
В технических условиях на конкретный тип митрона не всегда
приводится весь указанный выше перечень параметров, а в некото-
рых случаях могут быть включены другие дополнительные парамет-
ры (например, «девиация частоты митрона при воздействии аку-
стических шумов»). Перечень параметров и характеристик, приводи-
мых в технических условиях, определяется конкретным назначением
митрона.
3.3. СХЕМЫ И ПОРЯДОК ВКЛЮЧЕНИЯ МИТРОНА
При конструировании аппаратуры следует иметь в виду, что
надежность работы и удобство эксплуатации митронов в значитель-
ной мере зависят от выбранной схемы питания. Различают две
основные схемы питания: 1) схема с заземленным «холодным» ка-
тодом, 2) схема с заземленным анодом (корпусом митрона). При
выборе оптимальной схемы питания необходимо учитывать как до-
стоинства, так и недостатки каждой из этих схем. Достоинствами
схемы питания с заземленным катодом (рис. 19) являются:
— простота схемы модуляции по управляющему (фокусирую-
щему) электроду при импульсной работе;
— малая величина паразитной модуляции электронного потока
из-за уменьшения влияния внешних электрических наводок по цепи
питания накала.
Серьезный недостаток этой схемы, ограничивающий ее примене-
ние, состоит в трудности защиты от высокого анодного напряже-
ния, так как корпус соединен с анодом. Высокочастотная линия
31
передачи имеет непосредственный электрический контакт с выводом
энергии митрона и также будет находиться под высоким напряже-
нием. Изоляция же ее от корпуса митрона представляет значи-
тельные технические трудности и не всегда возможна.
Схема с заземленным анодом — корпусом митрона (рис. 20)
лишена указанного недостатка, и поэтому обращение с прибором
в аппаратуре значительно упрощается.
Рис. 19. Схема включения митрона с заземленным катодом.
К недостаткам этой схемы относятся:
— необходимость тщательной экранировки цепей питания
накала;
— сложность схемы модуляции, так как требуется изоляция
и развязка модулирующего устройства от высокого анодного на-
пряжения.
Схема с заземленным анодом является наиболее распростра-
ненной.
Рис. 20. Схема включения митрона
с заземленным анодом (корпусом).
Чтобы не вызвать преждевременного выхода из строя митрона
или ухудшения его параметров в момент включения и выключения
питающих напряжений из-за перегрева отдельных элементов вну-
тренней арматуры и связанного с ним интенсивного газоотделения,
необходимо соблюдать определенную последовательность подачи
напряжений на электроды митрона. Сначала следует включить на-
32
Пряжёние накала, затем анодное Напряжение и, наконец, напряже-
ние управляющего электрода.
Выключение производится в обратном порядке. Как исключе-
ние, допускается также и одновременное включение и выключение
всех питающих напряжений, что оговаривается в технических усло-
виях. В этом случае должна быть уверенность в том, что инерцион-
ность источника питания управляющего электрода не меньше, чем
источника питания анода.
При эксплуатации митронов, которые требуют принудительного
охлаждения, обдув (или другой рекомендованный вид охлаждения)
включают до подачи питающих напряжений и выключают после их
снятия.
После включения питающих напряжений необходимо устано-
вить номинальный режим работы митрона, указанный в паспорте
или этикетке. Контроль за установкой режима работы митрона осу-
ществляется либо с помощью приборов, встроенных в аппаратуру,
либо специальными приборами.
3.4. ОЦЕНКА РЕЖИМА РАБОТЫ МИТРОНА
В АППАРАТУРЕ
Устойчивая работа митрона в радиоэлектронной аппаратуре
обеспечивается соблюдением номинального электрического режима,
указанного в технических условиях. При этом надо следить за тем,
чтобы внешние воздействующие факторы не превышали допусти-
мых значений.
Отклонение от нормы даже одного параметра может служить
причиной существенного ухудшения работоспособности митрона
вплоть до преждевременного выхода его из строя. Причинами изме-
нения режима работы митрона могут быть естественное старение
радиоэлементов в аппаратуре, разброс характеристик митрона или
радиоэлементов при их замене.
Поэтому для обеспечения надежной работы митрона необходи-
мо периодически контролировать его режим и производить оценку
параметров (периодичность проверки должна указываться в ин-
струкции по эксплуатации аппаратуры).
Ниже приводятся наиболее простые способы оценки параметров
режима митрона, которые можно использовать при работе радио-
электронной аппаратуры, настройке или регламентных проверках.
Напряжение накала. Как указывалось выше, питание цепей на-
кала митронов осуществляется постоянным током. Это вызвано тем,
что при использовании переменного тока происходят периодические
изменения магнитного поля в зазоре под влиянием переменного
магнитного поля спирали катода, что искажает спектр генерируе-
мых колебаний.
Напряжение накала следует измерять вольтметром магнито-
электрической системы класса точности не ниже 1,5. Схема измере-
ния напряжения накала изображена на рис. 21. Напряжение нака-
ла, значение которого указывается в паспорте или этикетке митро-
на, устанавливается с помощью реостата R и контролируется
вольтметром. При измерении напряжения накала митронов, катод
которых находится под высоким напряжением (схема включения
митрона с заземленным анодом), измерительный прибор необходи-
мо изолировать от корпуса и соблюдать при этом правила техники
33
безопасности. Следует иметь в виду, что реостат и источник пита-
ния накала в данном случае также находятся под высоким напря-
жением.
Напряжение на управляющем электроде митрона должно уста-
навливаться в соответствии с величиной, указанной ,в паспорте или
этикетке. Это напряжение для разных экземпляров митрона одного
Рис. 21. Схема измерения напряжения накала.
типа может колебаться в широких пределах, например от 250 до
350 в.
В зависимости от режима использования митронов напряжение
на управляющем электроде может быть постоянным, импульсным
или комбинированным, когда на постоянное опорное напряжение
накладывается импульсное напряжение.
Измерение напряжения постоянного тока производится вольт-
метром магнитоэлектрической системы класса точности не ниже
импульсному
вольтметру или
осциллографу
1,5 с внутренним сопротив-
лением не менее 100 ком
(рис. 22). Величина внутрен-
него сопротивления выби-
рается из расчета, чтобы
при подключении измери-
тельного прибора режим
работы митрона не нару-
шался.
Импульсное напряжение
измеряется с помощью им-
пульсных вольтметров ти-
пов ВЛИ-2, В4-2 (ВЛИ-3)
или осциллографов С1-1
(25И), Gl-З и др. (рис. 22).
В случае использования схе-
Рис. 22. Схема измерения напряже- мы включения митрона
ний на управляющем электроде. с заземленным корпусом
(катод митрона находится
под высоким напряжением) измерительный прибор и источник пи-
тания необходимо изолировать от корпуса.
Напряжение между анодом и катодом. Напряжение от источни-
ка питания прикладывается между катодом и анодом митрона.
Максимальное и минимальное значения этого напряжения опреде-
ляются граничными значениями рабочих частот, а также значения-
ми, которые указываются в паспорте или этикетке прибора. Напря-
жение между анодом и катодом в зависимости от режима пере-
стройки частоты может быть или постоянным или комбинированным
(когда на опорное постоянное напряжение накладывается перемен-
ное напряжение, определяемое заданной программой перестройки
34
частоты). Схема измерения напряжения между анодом и катодом
для этих случаев показана на рис. 23. Постоянное напряжение из-
меряется с помощью вольтметра постоянного тока класса точности
не ниже 1,5 с входным сопротивлением примерно 1 Мом. Перемен-
ное напряжение синусоидальной формы можно измерить ламповым
Рис. 23. Схема измерения напряжения между анодом и ка-
тодом.
вольтметром ВЛИ-2, В4-2 или вольтметром переменного тока
электромагнитной или электродинамической системы. При измере-
нии переменного напряжения, отличного от синусоидального, не-
обходимо знать поправочный коэффициент, учитывающий форму
этого напряжения.
Рис. 24. Схема измерения КСВН нагрузки.
КСВН и фаза нагрузки. Высокочастотная нагрузка характери-
зуется модулем и фазой коэффициента отражения на входе линии
передачи. Обычно бывает достаточно измерить лишь модуль коэф-
фициента отражения и подсчитать КСВН.
Измерение КСВН высокочастотной нагрузки производится при
помощи измерительной линии, включенной в высокочастотный тракт
между митроном и нагрузкой. КСВН измеряется обычным спосо-
бом в нескольких точках рабочего участка диапазона частот митро-
на. Схема измерения КСВН нагрузки показана на рис. 24,
35
Если конструкция аппаратуры не позволяет включить измери-
тельную линию в высокочастотный тракт, то при наличии в аппа-
ратуре детекторной секции влияние нагрузки на работу митрона
ориентировочно можно определить по виду формы области гене-
рации митрона. В этом случае отсутствие больших перепадов вы-
ходной мощности и гистерезисных явлений в рабочем участке
диапазона частот митрона будет свидетельствовать о том, что
в пределах диапазона перестройки отсутствуют недопустимо боль-
шие значения КСВН высокочастотной нагрузки. Если аппаратура
позволяет плавно изменять анодное напряжение, то форму рабочего
участка области генерации митрона можно оценить по показаниям
миллиамперметра, включенного в цепь смесительного детектора.
Величина тока смесительного детектора при плавном изменении
напряжения на аноде в пределах рабочей области генерации
митрона не должна выходить за пределы, указанные в докумен-
тации на аппаратуру.
3.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОДНОСТИ МИТРОНА И
ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ
Качество митронов, которые находятся в эксплуатации или на
хранении в складах и ЗИПах, должно подвергаться периодическо-
му контролю. Контроль позволит не только своевременно изъять
дефектные митроны, но и в некоторых случаях выявить те из них,
которые в скором времени могут потерять работоспособность. Если
отбраковка некондиционных митронов при таких проверках являет-
ся задачей несложной, то прогнозирование возможных отказов
представляет значительные трудности и требует определенного на-
выка.
Чаще всего ухудшение параметров митрона происходит из-за
старения магнитной системы, когда магнитное поле в зазоре ослабе-
вает или искажается. Ослабление магнитного поля приводит при
паспортных значениях анодного напряжения к смещению рабочего
диапазона в сторону более низких частот. Дополнительной регули-
ровкой анодного напряжения можно скомпенсировать это смещение
рабочего диапазона частот, однако уровень выходной мощности на
высокочастотном конце рабочего диапазона может оказаться зна-
чительно меньше требуемой нормы. Кроме того, в таких митронах
могут наблюдаться гистерезисные явления и разрывы частотной ха-
рактеристики на отдельных ее участках.
Ценные материалы при профилактической проверке можно по-
лучить даже по данным простейших измерений. Так, например,
измерение тока накала и сравнение его величины со значениями
предыдущих замеров могут служить характеристикой состояния
вакуума.
Увеличение тока накала на 20% и более будет свидетельство-
вать о натекании митрона. Эффективность и достоверность прогно-
зирования возможных отказов митронов существенно повышается
по мере накопления опыта эксплуатации аппаратуры и своевре-
менной обработки результатов наблюдения при профилактических
проверка^
36
Таблица 1
Виды отказов митронов и вызываемые ими нарушения работоспособности аппаратуры
Внешний признак отказа Вид отказа Причина отказа
Отсутствует ток накала Обрыв в цепи накала 1. Ненадежный электрический контакт выводов пи- тания цепи накала. 2. Обрыв нити накала
Генерируемая СВЧ мощность мень- ше на высокочастотном конце рабочего диапазона Изменение напряженности магнитного поля посто- янного магнита 1. Интенсивное старение магнита. 2. Ферромагнитные материалы или источники маг- нитных полей находятся на расстояниях, меньших, чем предусмотрено ТУ. 3. Нарушение ориентации митрона в постоянном магните
На отдельных участках рабочего диапазона частот наблюдаются резкие изменения анодного тока Перескоки частоты 1. Наличие гистерезиса. 2. Ухудшение КСВН нагрузки. 3. Плохой электрический контакт вывода энергии с высокочастотной линией передачи
Ток накала с) щественно увеличился (на 20—100°/о) по сравнению с первоначальным значением Ухудшение вакуума в митроне 1. Появление микротрещин в вакуумной оболочке митрона. 2. Интенсивное газовыделение элементов внутрен- ней арматуры митрона в результате местных перегревов
Временами ток накала падает до нуля и отсутствует генерация СО Ненадежный контакт в цепях источников пи- тания 1. Нарушение пайки гибких выводов или плохой контакт в ножках цоколя. 2. Обрыв выводов цепей питания
Профилактическая проверка работоспособности радиоэлектрон-
ной аппаратуры и комплектующих элементов преследует следующие
цели:
— оценку годности изделий;
— - оценку возможности работы элементов в период до сле-
дующей регламентной проверки;
— набор статистического материала для анализа качества ра-
боты изделий в данной аппаратуре.
При хорошо поставленных и организованных профилактических
проверках не только отбраковываются дефектные изделия, но и вы-
являются конструктивные недостатки аппаратуры в целом.
3.6. ХАРАКТЕРНЫЕ ПРИЗНАКИ НАРУШЕНИЯ РАБОТЫ
МИТРОНА
В случае отказа митрона в аппаратуре необходимо прежде
всего убедиться в правильности режима его работы, обращая осо-
бое внимание на те элементы аппаратуры, которые могут быть
связаны с происшедшим отказом. Если выяснится, что режим ра-
боты митрона не нарушен, то причину отказа следует искать
в юамом митроне. Однако тщательное обследование митрона не всег-
да является возможным или целесообразным (из-за отсутствия соот-
ветствующей измерительной аппаратуры или недостатка времени).
В этих случаях может помочь знание причин отказов м'итронов
и вызванных ими нарушений в работе аппаратуры (табл. 1).
Приведенный в табл. 1 перечень, разумеется, не охватывает
все возможные виды отказов митронов, которые могут встретиться
при эксплуатации различной радиоэлектронной аппаратуры, так
как приборы работают с множеством других элементов, изменение
параметров которых прямо или косвенно влияет на работоспособ-
ность аппаратуры. Выяснение истинных причин отказов митронов
в аппаратуре позволит не только установить их слабые стороны,
но и выявить в отдельных случаях возможные конструктивные не-
достатки самой аппаратуры.
3.7. ЗАМЕНА МИТРОНА В АППАРАТУРЕ
Митрон в радиоэлектронной аппаратуре обычно заменяют при
потере им работоспособности или когда имеются обоснованные по-
дозрения на скорый выход его из строя. При смене митрона следует
убедиться в том, что аппаратура полностью выключена и нет
остаточных напряжений на накопительных элементах.
Все операции по извлечению дефектного митрона из аппарату-
ры, а также установка нового прибора должны производиться
инструментом и приспособлениями из немагнитных материалов.
При извлечении митрона из индивидуальной заводской упаков-
ки следует соблюдать меры предосторожности, чтобы не нарушить
механической прочности прибора. Митрон из упаковки следует
извлекать вместе с уплотняющей прокладкой. Запрещается выни-
мать митрон из упаковки за вывод энергии или за выводы питания.
Перед установкой митрона в аппаратуру следует убедиться в от-
сутствии механических повреждений прибора, целости его выводов.
На приборе следует проверить наличие клейма с обозначениями
товарного знака завода-изготовителя, типа митрона, месяца и года
38
выпуска, а также клейма отдела технического контроля (ОТК) за-
вода.
В аппаратном журнале необходимо записать:
— тип митрона и его индивидуальный номер;
— дату выпуска;
— завод-изготовитель (или его товарный знак);
— дату установки митрона в аппаратуру;
— название блока, в котором он устанавливается;
— электрический режим согласно паспорту и фактический.
Кроме того, необходимо проверить митрон на отсутствие ко-
ротких замыканий, обрывов в цепях электродов и, если есть воз-
можность, определить основные .параметры с помощью измеритель-
ной аппаратуры.
Изъятый из аппаратуры дефектный митрон укладывают в стан-
дартную упаковку и заполняют этикетку (паспорт), где указывают:
— тип митрона и его номер;
— завод-изготовитель;
— дату выпуска;
— дату установки в аппаратуру;
— дату выхода из строя или его замены;
— общее число часов работы (при работе митрона в дежурном
режиме это время указывается отдельно);
— по каким параметрам (или внешним признакам) был забра-
кован митрон;
— каким параметрам аппаратуры не удовлетворяет митрон;
— каким образом или при каких обстоятельствах обнаружен
дефект;
— восстановлена ли нормальная работа аппаратуры после за-
мены митрона;
— отклонения в режиме работы митрона, если таковые имели
место.
Все эти сведения необходимы для обобщения опыта эксплуата-
ции митронов. На их основе делаются выводы о качеств? и надеж-
ности работы митронов. Дефектные митроны вместе с указанными
данными направляются на завод-изготовитель для более детального
анализа причин отказов.
Митроны, вышедшие из строя ранее гарантированного срока
службы, должны рекламироваться и возвращаться заводу-изготови-
телю для их замены.
3.8. ПРАВИЛА ТРАНСПОРТИРОВКИ И ХРАНЕНИЯ
МИТРОНОВ
Транспортировка митронов должна производиться только в за-
водской стандартной упаковке. Допускается также транспортиров-
ка митронов в составе аппаратуры, если при этом имеется уверен-
ность, что воздействия на них механических и климатических фак-
торов не превышают значений, указанных в технических условиях
на прибор. Следует напомнить, что при транспортировке необходи-
мо предохранять митроны от ударов, излишней влажности. В неко-
торых случаях должна соблюдаться определенная ориентация упа-
ковки относительно грузовой площадки.
39
Хранить митроны, если они не установлены в аппаратуру, сле-
дует только в заводской упаковке. Соблюдение этого требования
поможет предотвратить выход из строя магнита митрона при под-
несении его на недопустимо близкое расстояние к ферромагнитным
материалам или источникам магнитного поля (работающим дрос-
селям, трансформаторам, соленоидам и т. д.). Минимальное рас-
стояние, на котором допускается размещение митронов друг от
друга, а также от ферромагнитных материалов, как правило, указы-
вается в технических условиях на прибор. В случае, если это мини-
мальное расстояние в ТУ не указано, то оно должно быть не менее
200 мм.
Естественно, что митроны при хранении, даже при соблюдении
заданных условий, выходят из строя вследствие старения магнитов,
медленного натекания и по другим причинам. На каждый тип
митрона существуют определенные допустимые нормы отхода при-
боров при их хранении, что указывается в технических условиях.
Периодической проверкой митронов, находящихся на хранении,
устанавливается степень соответствия их этим нормам и выявляет-
ся потребность в пополнении приборов. Количество митронов, при-
даваемых в ЗИПы, определяется целевым назначением радиоэлек-
тронной аппаратуры, сроком их хранения и средней долговечностью.
3.9. ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ МИТРОНОВ
В АППАРАТУРЕ
Каждый «вид радиоэлектронной аппаратуры, за исключением осо-
бых случаев, должен содержать инструкцию по эксплуатации митро-
нов, которая должна содержать:
1) указания по технике безопасности;
2) правила извлечения митронов из упаковки и их обследова-
ния до установки в аппаратуру;
3) способ крепления митрона в аппаратуре;
4) порядок включения и выключения питающих напряжений;
5) порядок установки заданного режима;
6) рекомендации по контролю режима;
7) перечень характерных признаков, по которым можно судить
об ухудшении параметров митрона или его отказе;
8) перечень наиоолее вероятных причин, вызывающих выход
митрона из строя, и способы выявления возможных отказов;
9) рекомендации по контролю выходных данных аппаратуры
при смене митрона;
10) правила по оформлению записей по контролю работы
митрона, которые необходимо делать в аппаратном журнале в про-
цессе эксплуатации и при проведении регламентных работ;
11) указания о перечне данных, которые необходимо представ-
лять заводу-изготовителю и организациям, занимающимся обобще-
нием опыта эксплуатации аппаратуры и комплектующих элементов,
на отказавшие митроны;
12) указания о правилах и способах транспортировки митронов;
(13 ) рекомендации по контролю параметров митронов в процессе
их хранения в ЗИПах и перед установкой в аппаратуру.
40
3.10. НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В РАЗВИТИИ МИТРОНОВ
За (последнее время -в информационных сообщениях иностран-
ных фирм (появились (Сообщения о разработках интронов с повышен-
ной выходной .мощностью (до 400 вт и более), а также о создании
на базе митронов прямошумовых генераторов.
Рис. 25. Митроны новых конструкций, отличающиеся конфи-
гурацией магнитных систем с повышенной магнитной энергией.
Внешний вид некоторых м'итронов новой конструкции показан-
ии рис. 25. Появление специальных магнитных сплавов с повышен-
ной магнитной энергией позволило создать магнитно экранирован-
ные митроны малых размеров. Вес митронов по сравнению с ранее
выпускаемыми удалось уменьшить примерно на 30—50% и объем
довести до 0,15—0,2 дм3 [7]. Такие митроны, сохранив все лучшие
свойства, характеризующие данный класс СВЧ генераторов, почти
полностью защищены от размагничивающего воздействия магнит-
ных полей и ферромагнитных материалов. Экранировка допускает
размещение митронов в непосредственной близости друг ст друга
без заметного нарушения работоспособности. Митроны с экраниро-
ванными магнитными системами не чувствительны к магнитным по-
лям 30 гс [7, 10]. Магнитная экранировка облегчает эксплуатацию
и хранение митронов (не требуется инструмент из немагнитного
материала, упрощаются требования к размещению митронов при
хранении и др.). Конструкция экранированной магнитной системы
представляет собой тороидальный магнит или набор магнитных
стержней, помещенных в специальный магниточроводящий кожух.
В результате научных исследований, проведенных за рубежом
в конце 1966 г. и начале 1967 г., была создана на основе новых
конструктивных решений серия митронов, охватывающих диапазон
частот от 190 до 11 000 Мгц. Среди этих митронов особый интерес
представляет группа коротковолновых приборов типов ВТО-255,
ВТО-265, МА-236 и других, разработанных фирмами Вогпас, Mictron
и Litton (США). По опубликованным данным митроны, работающие
в диапазоне примерно до 4 500 Мгц, являются, как правило, широ-
кополосными, т. е. характеризуются отношением максимальной ге-
нерируемой частоты к минимальной, равным 2 : 1 и даже 3 : 1 [7].
У коротковолновых же митронов (средняя генерируемая частота
примерно 5 000 Мгц и выше) полоса электрической перестройки
частоты меньше октавы и приблизительно равна 200—2 500 Мгц.
[7].
4h
Из рекламируемых митронов особую группу составляют «сверх-
мощные» митроны. Так, например, митрон типа L-3456 имеет выход-
ную мощность порядка 160 вт в полосе электрической перестройки
частоты ±470 Мгц [7].
Фирма General Electric (США) публикует сведения о разра-
ботке митрона с выходной мощностью примерно 500 вт в полосе
электрической перестройки частоты 2 900—3 400 Мгц [7]. На рис. 26
показаны амплитудные характеристики указанного митрона, полу-
ченные при работе в двух электрических режимах.
Рис. 26. Амплитудные характеристики митрона:
1 — напряжение на управляющий электрод подавалось через дели-
тель от источника анодного питания (к. п. д. митрона в этом ре-
жиме 71%); 2 — управляющий электрод и анод имели раздельные
источники питания (к. п. д. митрона 69%).
В настоящее время фирма General Electric разрабатывает ми-
трон, который должен иметь выходную высокочастотную мощность
примерно 1 кет. Указанный уровень мощности предполагается до-
стигнуть за счет увеличения магнитного поля в зазоре и анодного
напряжения.
Большое внимание в настоящее время уделяется научным иссле-
дованиям, проводимым в направлении миниатюризации ыитрснов.
Например, фирма Mictron рекламирует низковольтный миниатюрный
митрон весом не более 250 г, который работает в диапазоне частот
0,5—'1,0 Ггц, при этом анодное напряжение изменяется в пределах
от 250 до 500 в. Небольшие анодные напряжения, как предпола-
гается, существенно упростят радиотехнические схемы, а миниатюр-
ность уменьшит общий вес и габариты аппаратуры [Г1, 12, 14, 15].
Известные успехи достигнуты в области конструипования ми-
тронов с малыми уровнями амплитудных шумов. Не ^ак давно су-
ществовало мнение, что создание митронов с малым уровнем шумов
является задачей неразрешимой. Однако в США были опублико-
ваны сведения об успешном завершении работ по разработке ми-
тронов с малыми амплитудными шумами, которые по этому пара-
метру незначительно уступают ЛОВ типа О и отражательным кли-
стронам. Фирма General Electric рекламирует митрон типа М-6223
с уровнем амплитудных шумов 135 дб)гц при выходной мощности
1 вт. Митрон М-6201, предназначенный для работы в диапазоне
42
2,79 3,09 Ггц, с выходной мощностью порядка 1,35 вт характери-
зуется амплитудными шумами 155 дб/гц. Кроме перечисленных
можно назвать также малошумящие митроны типа ВТО-20 фирмы
Вотас и X-ID158 фирмы Eimac.
В прямошумовых генераторах, созданных на базе митронов,
генерирование СВЧ шума достигается «ведением в область взаи-
модействия пространственного заряда большой плотности. Разра-
ботанный опытный образец прямошумового генератора имеет
электрическую перестройку по частоте в диапазоне 2—4 Ггц
с 5%-ной полосой шума при выходной мощности 0,2 вт [14]. Вы-
сказываются предположения, что причиной шумовых колебаний
является не усиление белого шума, вносимого электронным пото-
ком из области шумов в пространство взаимодействия, а конку-
ренция между различными видами колебаний [15].
В заключение можно сделать вывод о том, что интенсифика-
ция работ в настоящее время идет в основном по пути дальней-
шего увеличения мощностей митронов, повышения их к. п. д.,
снижения уровня шумов при сохранении, а в отдельных случаях
и при уменьшении веса и размеров митронов. Сказанное не нахо-
дится в противоречии с существующими принципами конструиро-
вания современных митронов, а отражает лишь те качественные
достижения, которые имеются в области создания новых высоко-
эффективных магнитных сплавов, обладающих повышенными зна-
чениями магнитной энергии.
Благодаря росту мощностей и к. п. д., а также улучшению шу-
мовых характеристик, по-видимому, значительно раздвинутся и гра-
ницы областей применения митронов в современных радиотехниче-
ских средствах.
£
Таблица 2
Краткие характеристики основных типов зарубежных митронов
Тип Диапазон частот, Ггц Выходная мощность, вт Анодный ток, ма Анодное на- пряжение, кв Вес, г Область применения. Примечания
Фирма Varian Ass. (Bomac)
ВТО-60-1 1—2 1,0 — 2,0 450 Измерительная и связная аппарату- ра. Альтиметры
ВТО-23 1—2 1,0 10 2,0 — —
ВТО-60-2 2—4 1,0 — 2,0 450 Измерительная и связная аппарату- ра, альтиметры, бортовая аппа- ратура
ВТО-24 2—4 1,0 10 2,2 — —
ВТО-245 2,5—3,5 10 40 2,3 — —
ВТО-40-1 2,6—3,2 50 — 3,0 1360 Самолетная и ракетная аппаратура. Высокий к. п. д.» КСВН=3 Радиолокация; Связь. Измеритель- ная специальная самолетная и ра- кетная аппаратура
ВТО-20-2 2,6—3,7 10 40 2,3 540
ВТО-246 2,8—3,2 50 60 2,7 Перепад мощности ДР ±1 дб, AS= = 600 Мгц, Крутизна 3=1,8— 0,1 Мгц/в, Шумы 140—150 дб[гц
ВТО-250 6,5—7,5 0,7 20 2,5 — —
ВТО-255 6,9—7,1 5,0 40 2,5 — —
ВТО-60-5 8,5—9,6 0,5 1,5 450 Измерительная аппаратура. Связь. Самолетная аппаратура. Альти- метры
Продолжение табл. 2
Тип Диапазон частот, Ггц Выходная мощность, вт Анодный ток, ма Анодное на- пряжение, кв Вес, г Область применения. Примечания
ВТО-260 8,6—9,4 0,7 40 1,5
ВТО-265 9,3—9,5 5,0 60 Фирма Mict 1,5 топ Inc. — —
0,25-SP 0,35—1 0,35—1 0,25 — — 680 Размеры 9X6X6 см. Перепад мощ- ности + 1 Стоимость 950 долл.
0,25-PL 0,5—1,5 0,5—1,5 0,25 — — 680 Перепад мощности ДР = ± 1,5 дб
0,5-PL 0,5—1,5 0,5—1,5 0,5 — — — —
0,5-PL 0,8—2,4 0,8—2,4 0,5 — — 680 Размеры 9X6X6 см. ДР=±1,5д0
0,5-LS 1,2—3,6 1,2—3,6 0,5 — — 680 Размеры 9X6X6 см. ДР = ^1,5дб
Фирма General Electric, Eimac
ЕМ 1083 В 0,32—0,525 0,032 10 1,23—2 — Малошумящий
ЕМ 1088 В 0,52—0,925 0,032 10 0,97—1,7 — Малошумящий
X 1153 С 0,6—1,2 0,020 10 1—2 — Малошумящий
ZM 6222 2—4 1,0 Двойная экранировка от электри ческих и магнитных полей
ЛИТЕРАТУРА
1. «Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенным»
полями». Пер. с англ., под ред. М. М. Федорова, т. 2 Изд-во
иностранной литературы, 1961.
2. Сретенский В. Н. Основы применения электронных при-
боров сверхвысоких частот. Изд-во «Советское радио», 1962.
3. Стельмахов В. С. Основы электроники сверхвысокоча-
стотных приборов со скрещенными полями. Изд-во «Советское ра-
дио», 1963.
4. W i 1 b и г D., Peters Р. Voltage tuning and wide-band fre-
quency modulation of magnetrons. Paper presented of IRE Conf,
on Electron tubes, University of Michigan, 1950.
5. P e t e r s P., W i 1 b u r D. Magnetron an Voltage Tuning in
the S-band. Proc. Nat. Electr. Conf., 1955, vol. 11, p. 368.
6. W i 1 b u r D., Peters P. Simposium on Mod. Advances
in Microwave Techn. Brooclyn, 1954, vol. IV, p. 133.
7. Data Microwave tube characteristics tabulation, 15th ed —
17th ed, Organge, New Jersi, 1965—-1967 и рекламное сообщение
фирмы General Electric, 1966.
8. Power Tubes. Microwave switehing Superprower Military
Eguipment Tupes «General Electric».
9. Microwave Journal, 1964, v. 7, № 3, p. 37.
10. Рекламное сообщение фирмы General Electric. Магнетроны,
настраиваемые напряжением; выборочная таблица, 1966.
114. Electronic Design, 4965, v. 43, № 9, p. 23.
12. Microwaves, 1965, v. 4, № 5, p. 81.
13. Electronic Industr, 19'64, v. 23, № 111, p. 158.
14. Microwave Journal, 11966, № 8, p. 139.
15. Proc. IEEE, 1965, № 2, p. 203.
16. Carlson Gerald J. Подстройка средней частоты магне-
трона, настраиваемого напряжением. Пат. США № 3223883,
кл. 315—39,51; 1965.
47. EDN. Electron Eng. Design Mag, 1966, v. 11, № (12, p. 142—
145.
48. King George А. Конструкция 'магнетрона, настраивае-
мого напряжением. Пат. США № 3223881, кл. 315—39; 11965.
49. King George А. Магнетрон в виде металлокерамической
лампы, включенной в невакуумный магнитный резонансный контур.
Пат. США № 3225249, кл. 315—39,71; 1965.
20. Me. G a n g h 1 i n J. W. Конструкция штыревой замедляю-
щей системы для магнетрона. Пат. США № 3084280, кл. 315—39,73;
1963.
21. Gerlach Horst W. А. Магнетроны, перестраиваемые на-
пряжением. Пат. США № 3158780, кл. 315—39,55; 1964.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение . . . . ,.............................. 3
1. Устройство и принцип работы митрона.................... 5
1.1. Особенности конструкции митрона................... 5
1.2. Сущность основных физических процессов в митроне 12
2. Основные параметры и характеристики митронов ... 15
2.1. Полоса электрической перестройки частоты, линейность
частотной характеристики .............................. 15
2.2. Выходная мощность, неравномерность амплитудной
характеристики . ... 13
2.3. Характеристики управляющего электрода и стабилиза-
ция мощности введением обратной связи .... 20
2.4. Скорость частотной и амплитудной модуляции . 23
2.5. Спектр колебаний митрона..........................23
2.6. Амплитудные шумы и паразитные колебания ... 24
2.7. Изменение генерируемой частоты в зависимости от из-
менения напряжений питания..............................25
2.8. Зависимость параметров митрона от режима работы
и условий применения .................................. 25
3. Правила применения и эксплуатации митронов ... 29
3 1. Общие сведения ... 29
3.2. Выбор митрона.....................................30
3.3. Схемы и порядок включения митрона.................31
3.4. Оценка режима работы митрона в аппаратуре . . 33
3.5. Определение годности митрона и профилактические
мероприятия . . ..........................36
3.6. Характерные признаки нарушения работы митрона . 38
3.7. Замена митрона в аппаратуре.......................38
3.8. Правила транспортировки и хранения митронов . . 40
3.9. Инструкция по эксплуатации митронов в аппаратуре 40
ЗЛО. Новые направления в развитии митронов ... 41
Литература................................................46
47
В издательстве «Советское радио» готовится к изданию новая
брошюра из серии ЭРА.
К е л и н А. В., Д о л г о в В. А. Электронные датчики для авто-
матических систем контроля. 4 л., цена 20 кол.
В брошюре изложены основные технические требования, предъ-
являемые к датчикам, предназначенным для преобразования выход-
ных сигналов объектов контроля. Дается краткая классификация и
основные схемы построения датчиков.
Основное внимание уделено рассмотрению датчиков-преобразо-
вателей электрических сигналов сложной формы в сигналы более
простого типа, удобного для дальнейшей обработки в автоматиче-
ских системах контроля, а также датчиков имитационных сигналов
генераторного типа с калиброванными выходными сигналами. Рас-
смотрены некоторые схемы построения датчиков (для контроля про-
ходящей мощности, датчики порогового контроля и др.), а также
приведены краткие сведения по датчикам-преобразователям неэ;ек-
трических величин в электрические.
Брошюра рассчитана на инженеров и техников, занимакщихся
эксплуатацией и ремонтом радиоэлектронной аппаратуры. Она мо-
жет быть также полезной для преподавателей и студентов учебных
заведений, изучающих радиоизмерения.
Юрий Васильевич ДЯТЛОВ, Лев Николаевич КОЗЛОВ
Митроны
Редактор Ю. И. Суханов Худ. редактор В. Т. Сидоренко
Технический редактор В. В. Беляева
Корректоры Н. М. Белякова, Н. С. Швыгина
Сгано в набор 9.VI 1967 г. Подписано к печати 13.Х 1967 г. Т 149)3
Формат 84Х108’/за Бумага типографская № 1
Объем 2,52 усл. п. л. Уч.-изд. л. 3,117 Тираж 31.00)
Издательство .Советское радио* Москва Главпочтамт, п/я 693
Заказ 353 Цена 17 коп.
Московская типография № 10 Главполиграфпрома Комитета по печати при
Совете Министров СССР. Шлюзовая наб., 10.
17 КОП.