МНОГОСЕКЦИОННЫЙ МАГНЕТРОН

Полезная модель относится к электронной технике, а именно к электровакуумным приборам СВЧ, конкретно к мощным многорезонаторным магнетронам и может быть использована преимущественно в передающих устройствах радиолокационных станций обнаружения и наведения, навигационных РЛС, а также в системах связи, сверхвысокочастотных промышленных установках для нагрева.
и
и
и
и
и
и
В науке и технике импульсные многорезонаторные магнетроны обычной конструкции в зависимости от выходной импульсной мощности P классифицируются на мощные P>10 кВт и маломощные P<10 кВт. Наибольшая мощность и коэффициент полезного действия (КПД) магнетронов могут достигать в дециметровом диапазоне P=(2,5…5) МВт, КПД (80…85) %; в сантиметровом диапазоне на частоте f=10 ГГц мощность P=1 МВт при КПД около 55%; в миллиметровом диапазоне на частоте f=35 ГТц мощность P=100 кВт при КПД около 30% [Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы. - М.: Радио и связь. 1981. 271 с. С.31].
A
C
A
C
Общим недостатком этих магнетронов является значительное снижение выходной мощности с ростом рабочей частоты, что объясняется соответствующим уменьшением конструктивных размеров анодного блока с резонаторами и катода, а также пространства взаимодействия электронов с СВЧ полем. При этом поперечные размеры анода (анодного отверстия) и катода магнетрона характеризуются соответствующими радиусами r, r (диаметрами d, d).
Кроме того недостатком, способствующим снижению выходной мощности, является резкое падение электронного и в целом полного КПД с ростом рабочей частоты, что не объясняется ни уменьшением конструктивных размеров магнетронов, ни существующей классической теорией магнетронов и многочисленными аналитическими моделями.
Указанная техническая проблема характерна практически для всех специальных электровакуумных, а также и твердотельных приборов СВЧ.
Известен выбранный в качества аналога многорезонаторный магнетрон, содержащий магнитную систему, анод, катод, пространство взаимодействия, резонаторную систему, торцовые полости, крышки торцовых полостей, устройство вывода энергии. Указанные признаки аналога являются общими с заявленной полезной моделью и совпадают с существенными признаками каждой из секций предложенной полезной модели «Многосекционный магнетрон». Известный аналог в конструктивном отношении выполнен с учетом эмпирической формулы для нахождения соотношения 5 радиусов катода и анода
где N - число резонаторов.
Число резонаторов N выбирается на основании ориентировочных опытных данных в зависимости от рабочего диапазона длин волн (табл.1).
Таблица 1
Опытные данные ориентировочного соответствия числа резонаторов N рабочему диапазону длин волн
λ, см
>40
20…40
10…20
5…10
2…5
1…2
<1
N
4…6
6…8
8…12
8…18
12…22
16…40
18…40
В табл.1 λ - длина волны в свободном пространстве. Применяют и другие эмпирические формулы для определения соотношения о, которые как и формула (1) не являются единственно правильными [Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования многорезонаторпых магнетронов. - М.: Сов. Радио. 1966. 224 с. С.40, 94, 123].
C
A
Недостатком известного магнетрона является отсутствие оптимизации его энергетических, конструктивных показателей и массогабаритных характеристик. Опыт разработки магнетронов показывает, что при N≤8 выражение (1) дает заниженное, а в случае N≥20 - завышенные значения для параметра δ=r/r, что приводит к погрешности в математическом расчете конструктивных характеристик магнетрона по формуле (1) и требует оптимизации энергетических, конструктивных показателей и массогабаритных характеристик магнетрона.
К недостаткам известного аналога относится и то, что улучшение энергетических показателей (КПД, выходной мощности) вызывает ухудшение качественных показателей (массогабаритных характеристик), а также усложнение конструкции магнитной системы.
A
Эти недостатки устранены в другом, выбранном в качестве прототипа, известном техническом решении магнетрона, у которого наряду с общими с аналогом признаками использован катод с оптимальным размером радиуса, установленным в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия, выполненным с возможностью обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия подбором соответствующего рабочего напряжения U и магнитной индукции B магнитной системы. [Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА». 2011. 220 с. С.192-195].
При этом электронный КПД находится по формуле
A
где W - потенциальная энергия электрона, W=|e|U;
- кинетическая энергия в среднем «отработавшего» электрона;
ħ - постоянная Планка;
e - элементарный электрический заряд;
A
U - рабочее напряжение магнетрона;
B - магнитная индукция магнитной системы;
A
C
r и r - радиусы анода и катода;
m - масса элементарного заряда;
α - относительная нестабильность частоты;
n
n
∆f - минимальный интервал между гармоническими составляющими излучения электрона, соответствующими флуктуациям его скорости, ∆f=1 Гц;
N - четное число резонаторов.
A
Исследование зависимости (2) показывает, что при радиусе анода r=const электронный КПД магнетрона имеет наибольшее значение при некотором оптимальном размере радиуса катода.
Copt
Таким образом с помощью формулы (2) в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия установлены катоды с оптимальными размерами радиусов r (табл.2), что открывает возможности оптимизации энергетических, конструктивных показателей и массогабаритных характеристик магнетронов.
A
A
Оптимальные размеры радиуса катода увеличиваются с ростом размеров радиуса анодного отверстия. Но, начиная с некоторых значений радиуса анода r, оптимальные значения размеров радиуса катода начинают уменьшаться. С целью получения высокой выходной мощности магнетрона следует выбирать максимальные значения радиусов анода и катода и подбирать соответствующий режим работы по рабочему напряжению U (2) и величине магнитной индукции B магнитной системы для достижения максимального значения электронного коэффициента полезного действия.
Amax
Amax
Оптимизация радиусов катода прекращается при некоторых максимальных значениях радиусов анода: для магнетронов с числом резонаторов N=14 радиус r=11 мм, в случае N=16 радиус r=13 мм и т.д.
С увеличением радиусов анода оптимальные значения размеров радиусов катода сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Очевидно, что катоды большего диаметра способны выдержать и большую мощность.
Таблица 2
Конструктивные характеристики магнетронов с катодами с оптимальными размерами радиусов
r<sub>A</sub>, r<sub>Copt</sub>, мм
N=12
r<sub>A</sub>
1
1,5
2
2,5
3
4
5
6
r<sub>Copt</sub>
0,33
0,5
0,66
0,82
0,96
1,2
1,3
1,2
r<sub>A</sub>
7
8
9
10
r<sub>Copt</sub>
1,0
0,7
0,3
-
N=14
r<sub>A</sub>
1
1,5
2
2,5
3
4
5
6
r<sub>Copt</sub>
0,33
0,5
0,66
0,82
0,98
1,2
1,4
1,5
r<sub>A</sub>
7
8
9
10
11
r<sub>Copt</sub>
1,4
1,2
0,9
0,6
-
N=16
r<sub>A</sub>
1
1,5
2
2,5
3
4
5
6
r<sub>Copt</sub>
0,33
0,5
0,66
0,83
0,99
1,3
1,4
1,7
r<sub>A</sub>
7
8
9
10
11
12
13
r<sub>Copt</sub>
1,7
1,6
1,4
1,2
0,8
0,4
-
N=18
r<sub>A</sub>
1
1,5
2
2,5
3
4
5
6
r<sub>Copt</sub>
0,3 3
0,5
0,67
0,83
0,99
1,3
1,6
1,8
r<sub>A</sub>
7
8
9
10
13
14
15
r<sub>Copt</sub>
1,9
1,9
1,8
1,7
0,6
0,2
-
Продолжение таблицы 2
r<sub>A</sub>, r<sub>Copt</sub>, мм
N=28
r<sub>A</sub>
2,5
3
4
5
6
7
8
9
r<sub>Copt</sub>
0,83
1
1,3
1,6
1,9
2,2
2,5
2,7
r<sub>A</sub>
10
20
21
r<sub>Copt</sub>
2,9
1,1
0,7
N=30
r<sub>A</sub>
2,5
3
4
5
6
7
8
9
r<sub>Copt</sub>
0,83
1
1,3
1,7
2
2,3
2,5
2,8
r<sub>A</sub>
20
22
23
r<sub>Copt</sub>
1,8
0,9
0,5
N=32
r<sub>A</sub>
2,5
3
4
5
6
7
8
9
r<sub>Copt</sub>
0,83
1
1,3
1,7
2
2,3
2,6
2,8
r<sub>A</sub>
10
20
22
23
24
r<sub>Copt</sub>
3
2,3
1,6
1,2
0,8
N=34
r<sub>A</sub>
2,5
3
4
5
6
7
8
9
r<sub>Copt</sub>
0,83
1
1,3
1,7
2
2,3
2,6
2,9
r<sub>A</sub>
10
20
23
24
25
r<sub>Copt</sub>
3,1
2,9
1,9
1,5
1
N=36
r<sub>A</sub>
2,5
3
4
5
6
7
8
9
r<sub>Copt</sub>
0,83
1
1,3
1,7
2
2,3
2,6
2,9
r<sub>A</sub>
10
20
23
24
25
26
r<sub>Copt</sub>
3,1
3,3
2,5
2,1
1,7
1,3
Расчет электронного КПД с помощью формулы (2) позволил установить основные конструктивные характеристики магнетронов табл.2, при которых электронный КПД имеет наибольшее значение. Полученные результаты соответствуют основным закономерностям теории и практики разработки магнетронов [Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА». 2011. 220 с. С.198-199].
Недостатками магнетрона с катодом с оптимальным размером радиуса являются ограниченные размеры радиуса анода, а также небольшие радиусы катода, размеры которых не превышают нескольких миллиметров (табл.2), что в целом ведет к уменьшению выходной мощности. Указанные ограничения открывают возможность соединения в единой конструкции нескольких идентичных магнетронов с установленными оптимальными размерами радиусов катодов, что позволяет в разы увеличить выходную мощность. В предлагаемой конструкции отдельные идентичные магнетроны условно можно назвать идентичными секциями, количество которых в общем случае равно k≥2.
Технической задачей заявленной полезной модели является разработка нового многосекционного магнетрона, конструктивные и функциональные особенности которого позволяют повысить КПД и выходную мощность в широком диапазоне длин волн.
Реализация указанной технической задачи заявленной полезной моделью обеспечивает следующий технический результат, являющийся суммой полученных технических эффектов:
Copt
A
A
A
- катод имеет установленный в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия по формуле (2) на странице 3 оптимальный размер радиуса r на страницах 5, 6, 8, 9, 12, 16 табл.2 на страницах 5, 6, соответствующий выбранному на основании эмпирически установленного ориентировочного соотношения 2r≤0,3 λ на страницах 10, 12, 16 радиусу анода и выбранному из табл.1 четному числу N резонаторов на основании опытных данных в зависимости от длины волны λ в свободном пространстве, для обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия каждой секции подбором соответствующего рабочего напряжения U и магнитной индукции B магнитной системы многосекционного магнетрона и повышает на 20…30% электронный КПД каждой секции. Соотношение 2r≤0,3 λ общеизвестно из уровня техники [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.2. Электровакуумные приборы СВЧ. - М.: Изд. «Высшая школа». 1972. 375 с. С.297-298];
- применение внешнего объемного резонатора-сумматора мощности для суммирования мощности идентичных секций повышает стабильность рабочей частоты каждой секции и поэтому электронный КПД и выходная мощность многосекционного магнетрона растет с повышением стабильности рабочей частоты;
- внешний объемный резонатор-сумматор мощности включает продольные щели, прорезанные по средней линии его широкой стенки, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны, что обеспечивает синфазную и устойчивую работу секций, что также способствует повышению КПД и выходной мощности;
Copt
- использование в полезной модели двух или более идентичных секций, представляющих собой, по сути, два или более идентичных магнетрона каждый с катодом, имеющим установленный оптимальный размер радиуса r табл.2, без магнитных систем, позволяет практически удвоить, утроить и так далее (то есть увеличить в k≥2 раз), выходную мощность путем суммирования мощности каждой секции во внешнем резонаторе-сумматоре мощности;
- сложение мощностей двух или более секций является актуальной задачей, так как приводит к снижению стоимости СВЧ генераторов;
- магнитная система выполнена общей, с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для всех секций, что позволяет улучшить качественные массогабаритные характеристики магнетрона;
- каждая электрическая связь между секциями образована соответствующими, как минимум четырьмя, металлическими пазовыми соединениями, что создает воздушный промежуток между секциями и приводит к более эффективному воздушному охлаждению анодных блоков.
Для достижения указанного технического результата предложен «Многосекционный магнетрон», содержащий магнитную систему, внешний объемный резонатор-сумматор мощности, а его каждая секция включает анод, катод с оптимальным размером радиуса, пространство взаимодействия, резонаторную систему, торцовые полости, крышки торцовых полостей, устройство вывода энергии.
Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что многосекционный магнетрон содержит k≥2 идентичных секций, расположенных на одной центральной продольной оси и соединенные последовательной электрической связью. Внешний объемный резонатор-сумматор мощности включает продольные щели, прорезанные по средней линии его широкой стенки, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны. Магнитная система выполнена общей, с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для всех секций.
Дополнительными отличиями является то, что каждая электрическая связь между секциями образована соответствующими, как минимум четырьмя, металлическими пазовыми соединениями, а внешний объемный резонатор-сумматор мощности выполнен в форме отрезка прямоугольного волновода.
Copt
A
A
Другими дополнительными отличиями является то, что каждая секция многосекционного магнетрона имеет катод с оптимальным размером радиуса r табл.2, установленным в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия. Катод с оптимальным размером радиуса выполнен с возможностью обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия каждой секции многосекционного магнетрона путем подбора соответствующего рабочего напряжения U и магнитной индукции B магнитной системы. Анод имеет радиус анодного отверстия, выбранный на основании эмпирически установленного ориентировочного соотношения между диаметром анода и длиной волны λ в свободном пространстве 2r≤ 0,3 λ, а резонаторная система содержит четное число N резонаторов, выбранное из табл.1 на основании опытных данных в зависимости от длины волны λ в свободном пространстве.
Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для получения практически увеличенной в k≥2 раз выходной мощности путем суммирования мощности каждой секции во внешнем резонаторе-сумматоре мощности, значительного повышения электронного и в целом полного КПД магнетрона.
Именно наличие в заявленной полезной модели общих отличительных и дополнительных отличительных признаков позволяет не только повысить основные энергетические параметры такие, как выходная мощность и КПД, но и значительно улучшить качественные массогабаритные характеристики магнетрона, снизить стоимость устройства.
Сущность полезной модели для случая двух секций поясняется чертежами:
- фиг.1 - Многосекционный магнетрон, общий вид, вид спереди;
- фиг.2 - Многосекционный магнетрон, общий вид, разрез А-А;
- фиг.3 - Многосекционный магнетрон, внешний объемный резонатор-сумматор мощности, общий вид;
- фиг.4 - Многосекционный магнетрон, структурная схема. На фиг.1 представлен Многосекционный магнетрон, общий вид, вид спереди:
1. Первая секция магнетрона (H - длина секции);
A
1.1. Анод (d - диаметр анода, h - длина анода с резонаторами);
Copt
1.2. Катод (d - оптимальный размер диаметра катода);
1.3. Пространство взаимодействия;
1.4. Резонаторная система (N - четное число резонаторов в PC);
1.5. Торцовая полость (h - длина торцовой полости);
1.6. Крышка торцовой полости;
1.7. Устройства вывода энергии;
2. Вторая секция магнетрона (H - длина секции);
A
2.1. Анод (d - диаметр анода, h - длина анода с резонаторами);
Copt
2.2. Катод (d - оптимальный размер диаметра катода);
2.3. Пространство взаимодействия;
2.4. Резонаторная система (N - четное число резонаторов в PC);
2.5. Торцовая полость (h - длина торцовой полости);
2.6. Крышка торцовой полости;
2.7. Устройства вывода энергии;
3. Магнитная система;
4. Внешний объемный резонатор-сумматор мощности;
5. Металлическое пазовое соединение секций (h” - длина пазового соединения).
Две секции 1, 2 фиг.1 многосекционного магнетрона идентичны и расположены на одной центральной продольной оси и электрически связаны между собой. Причем каждая электрическая связь образована соответствующими, как минимум четырьмя, металлическими пазовыми соединениями 5 фиг.1. Воздушный промежуток между секциями в области пазовых соединений предоставляет возможность более эффективного воздушного охлаждения внешней поверхности анодов 1.1, 2.1 фиг.1.
Магнитная система 3 фиг.1 выполнена общей, с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для обеих секций 1, 2 фиг.1.
Внешний объемный резонатор-сумматор мощности 4 фиг.1 включает продольные щели 4.1, 4.2 фиг.3, прорезанные по средней линии его широкой стенки, с реактивными вибраторами 4.3 фиг.3, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны.
Copt
A
Copt
A
A
В каждой секции 1, 2 фиг.1 многосекционного магнетрона применяется анод 1.1, 2.1 фиг.1 с катодом 1.2, 2.2, отличающиеся оптимальным соотношением радиусов (диаметров) анода (анодного отверстия) и катода δ=r/r=d/d. При этом диаметр анода выбирается на основании эмпирически установленного ориентировочного соотношения между диаметром анода и длиной волны в свободном пространстве d≤0,3 λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, а длина анода h≤0,3 λ.
В пространстве взаимодействия 1.3, 2.3 фиг.1 с подачей рабочего напряжения действуют скрещенные (взаимно перпендикулярные) постоянное электрическое поле и постоянное магнитное поле магнитной системы 3 фиг.1.
Число резонаторов резонаторных систем 1.4, 2.4 фиг.1 четное и выбирается на основании табл.1.
A
Copt
A
Copt
Торцовые полости 1.5, 2.5 фиг.1 из соображений электрической прочности магнетрона имеют длину h'≈=2(r-r) и закрываются крышками 1.6, 2.6 фиг.1. Ho так как катоды имеют радиусы, не превышающие 3,7 мм (табл.2), целесообразно выбирать длину h'≈1,5(r-r).
Вывод электромагнитной энергии из каждой секции 1, 2 фиг.1 осуществляется посредством устройств вывода энергии 1.7, 2.7 фиг.1, представляющих собой щель в одном из резонаторов резонаторных систем (PC) 1.4, 2.4 фиг.1.
На фиг.2 представлен Многосекционный магнетрон, общий вид, разрез А-А:
1. Первая секция;
1.1. Анод;
1.2. Катод;
1.3. Пространство взаимодействия;
1.4. Резонаторная система (N - четное число резонаторов в PC);
1.7. Устройства вывода энергии;
4. Внешний объемный резонатор-сумматор мощности;
4.1. Продольную щель;
4.3. Реактивные вибраторы.
Выходная мощность из секции 1 фиг.2 через щель 1.7 фиг.2 в одном из резонаторов PC 1.4 фиг.2 подводится к внешнему объемному резонатору-сумматору мощности 4 фиг.2 через продольную щель 4.1 фиг.2 в середине широкой стенки отрезка прямоугольного волновода. Рядом с серединой продольной щели 4.1 фиг.2 расположен реактивный вибратор 4.3 фиг.2. На фиг.2 для примера показано только четыре резонатора в PC 1.4. Реальное количество резонаторов может быть четным до 40 и более.
На фиг.3 представлен Многосекционный магнетрон, внешний объемный резонатор-сумматор мощности, общий вид:
4. Внешний объемный резонатор-сумматор мощности;
4.1. Продольная щель;
4.2. Продольная щель;
4.3. Реактивные вибраторы;
4.4. Устройство вывода энергии.
Внешний объемный резонатор-сумматор мощности 4 фиг.1, 2, 3 выполнен в форме отрезка прямоугольного волновода. В конструкции внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.3 имеются продольные щели в середине широкой стенки отрезка прямоугольного волновода 4.1, 4.2 фиг.3 длиной λ/2, где λ - длина волны в свободном пространстве. Расстояние между центрами щелей 4.1, 4.2 фиг.3 соответствует L=Λ|2, где Λ - длина волны в волноводе, определяет расстояние по оси между секциями 1, 2 фиг.1 h”=L-H. Для возбуждения щелей используются реактивные вибраторы 4.3 фиг.3, помещенные рядом с серединами щелей по разные их стороны. Длина внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.3 равна nΛ|2, где n=1, 2, 3 …. В качестве устройства вывода энергии 4.4 фиг.3 из внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.3 в волноводный тракт может быть использован четвертьволновый трансформатор.
На фиг.4 представлен Многосекционный магнетрон, структурная схема:
1. Первая секция;
1.7. Устройство вывода энергии;
2. Вторая секция;
2.7. Устройство вывода энергии;
4. Внешний объемный резонатор-сумматор мощности;
4.1. Продольная щель;
4.2. Продольная щель;
4.3. Реактивные вибраторы;
4.4. Устройство вывода энергии.
A
Секции 1, 2 фиг.4 параллельно запитаны рабочим напряжением U от общего источника питания - импульсного модулятора. Устройства вывода генерируемой электромагнитной энергии 1.7, 2.7 фиг.4 подключены к продольным щелям 4.1, 4.2 фиг.4 внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.4. Реактивные вибраторы 4.3 фиг.4, помещены рядом с серединами щелей и установлены по разные их стороны. Выход внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.4 связан с волноводным трактом через устройство вывода энергии 4.4 фиг.4.
Устройство работает следующим образом
A
A
Многосекционный магнетрон предназначен для генерации мощных СВЧ колебаний в составе передающего устройства радиолокационной станции. При включении передающего устройства аноды 1.1, 2.1 и катоды 1.2, 2.2 фиг.1, 2 секций 1, 2 фиг.1, 2, 4 параллельно запитаны рабочим напряжением U от общего источника питания - импульсного модулятора. При рабочей температуре катодной поверхности эмитирующий слой катодов 1.2, 2.2 фиг.1, 2 испускает электроны в пространство взаимодействия 1.3, 2.3 фиг.1, 2. В результате в пространстве взаимодействия 1.3, 2.3 фиг.1, 2 формируются электронные облака, которые под действием силы Лоренца, вызванной воздействием на электроны взаимно перпендикулярных постоянных электрических (связанных с рабочим напряжением U фиг.4) и магнитных (связанных с магнитной системой 3 фиг.1) полей, начинают вращаться вокруг катодов 1.2, 2.2 фиг.1, 2. Электроны вращающегося электронного облака согласно закону электромагнитной индукции Фарадея наводят в каждом из анодов 1.1, 2.1 фиг.1, 2 высокочастотные токи и соответствующие им высокочастотные поля. Электроны вращающегося облака вступают во взаимодействие с тангенциальной и радиальной составляющими наведенного ими высокочастотного поля. Роль тангенциальной составляющей поля заключается в модуляции электронов по скорости и, как следствие, в образовании из вращающегося электронного облака «спицеобразного» электронного потока (модуляция по плотности). Роль радиальной составляющей поля заключается в фазовой фокусировке (группировке) электронов в «спицах». При обеспечении условия синхронизма, когда поступательная скорость электронов в «спицах» чуть больше или примерно равна фазовой скорости возбужденных в резонаторной системе высокочастотных колебаний, «спицы» находятся в области тормозящего тангенциального поля. Электроны в «спицах» движутся по циклоидальным или близким к ним петлеобразным траекториям от катода 1.2, 2.2 к аноду 1.1, 2.1 фиг.1, 2, отдавая свою потенциальную энергию тормозящему тангенциальному полю. В результате наведенное СВЧ поле усиливается и через устройства вывода энергии 1.7, 2.7 фиг.1, 2, 4 поступает во внешний объемный резонатор-сумматор мощности 4 фиг.1, 2, 3, 4 через продольные щели 4.1, 4.2 фиг.2, 3, 4.
Copt
A
A
Электроны, будучи элементарными электрическими зарядами, рассматриваются в магнетроне как классические объекты. Однако с ростом рабочей частоты возрастают не учитываемые классической теорией энергетические потери, ввиду чего электронный, а, следовательно, и полный КПД магнетронов резко падает. В прототипе и в заявленной полезной модели учтен волновой характер электронов и соответствующая неопределенность в их координатах (импульсах), что позволило выявить механизм энергетических потерь с ростом рабочей частоты, учтенный в формуле (2), и оптимизировать конструктивные характеристики магнетронов. Расчет электронного КПД по формуле (2) на странице 3 показал, что катод имеет установленный оптимальный размер радиуса r табл.2 на странице 5, 6, соответствующий радиусу анодного отверстия, выбранному на основании эмпирически установленного ориентировочного соотношения между диаметром анода и длиной волны λ в свободном пространстве 2r≤0,3 λ, а также четному числу N резонаторов, выбранному из табл.1 на основании опытных данных в зависимости от длины волны λ в свободном пространстве. Катод с оптимальным размером радиуса выполнен с возможностью обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия каждой секции многосекционного магнетрона путем подбора соответствующего рабочего напряжения U и магнитной индукции В магнитной системы.
Установлено также, что энергетические потери пропорциональны квадрату относительной нестабильности частоты и уменьшаются с увеличением добротности резонаторных систем, как описано в прототипе [Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА». 2011. 220 с. С.186, 192]. Эти подходы и реализованы в конструкции каждой секции многосекционного магнетрона.
Во внешний объемный резонатор-сумматор мощности 4 фиг.1, 2, 3, 4 электромагнитная энергия из устройств вывода энергии 1.7, 2.7 фиг.1, 2, 4 поступает через продольные щели в середине широкой стенки отрезка прямоугольного волновода 4.1, 4.2 фиг.2, 3, 4. Поскольку щели прорезаны по средней линии широкой стенки волновода, то они возбуждаться не будут. Для возбуждения щелей используются реактивные вибраторы 4.3 фиг.2, 3, 4, помещенные рядом с серединами щелей. Реактивные вибраторы 4.3 фиг.2, 3, 4, установленные по разные стороны щелей 4.1 и 4.2 фиг.2, 3, 4, меняют фазу возбуждения на 180°. С учетом расстояния между серединами щелей 4.1 и 4.2 фиг.2, 3, 4, равного половине длины волны в волноводе, обеспечивается синфазная и устойчивая работа секций 1, 2 фиг.1, 2, 4, что также способствует повышению КПД и выходной мощности.
Заявленная полезная модель «Многосекционный магнетрон» является новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленной полезной модели, устройством для генерации СВЧ колебаний большой мощности в широком диапазоне длин волн. Заявленное устройство обладает следующими достоинствами:
- использование в полезной модели двух или более идентичных секций позволяет практически увеличить в k≥2 раз выходную мощность путем суммирования мощности каждой секции во внешнем резонаторе-сумматоре мощности;
- реализация катодов с оптимальными размерами радиусов табл.2, установленными в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия по формуле (2), повышает на 20…30% электронный КПД каждой секции;
- использование в полезной модели внешнего объемного резонатора-сумматора мощности повышает стабильность рабочей частоты и соответственно электронный КПД и выходную мощность многосекционного магнетрона;