Магнетронные генераторы и импульсные модуляторы - Грановская Р.А., Телятников Л.И.

Автор: Грановская Р.А. Телятников Л.И.
Теги: электротехника электроника радиотехника
Год: 1985
Похожие
Управление радиочастотными колебаниями генераторов
Релаксационные генераторы - импульсные преобразователи неэлектрических величин
Расчет кварцевых генераторов: Учебное пособие
Проектирование импульсных трансформаторов
Текст
                    МОСКОВСКИ» оф ЕНА ЛЕНИНА

, и ОРДЕНА ОК^ШРаЬоЙ РЕВОЛЮЦИИ

: АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ



д



М1р://радист. и сох. ги/
УДК: 621.396.61(075.8)

621.396.6(075)

Г773

Грановская Р.А., Телятников Л.И. Магнетронные генерато-
ры и импульсные модуляторы: Учебное пособие. - М.: МАИ,
1985. — 52 с., ил.

Приводятся общие сведения о магнетронных импульсных бор-
товых радиопередатчиках с большой скважностью и их основных
элементах: магнетроне и импульсном модуляторе. Рассматривают-
ся особенности работы магнетронов на несогласованную нагрузку
и стабилизация частоты магнетрона с помощью высокодобротно—
го резонатора. Излагаются. принципы работы, описываются физи-
ческие процессы и схемы построения импульсных модуляторов с
частичным разрядом накопительной емкости.

Пособие предназначено для теоретической подготовки студен-
тов к лабораторным работам по курсу "Радиопередающие устрой-
ства": ''Исследование магнетронного передатчика бортовой РЛС",
"Исследование работы магнетронного генератора на несогласован-
ную нагрузку" и "Исследование импульсного модулятора с частич-
ным разрядом накопительной емкости". Предполагается, что сту-
денты прослушали курсы "Электронные и квантовые приборы" и
"Радиотехнические цепи и сигналы". Пособие поможет студентам
при подготовке к экзамену по курсу "Радиопередающие устройст-
ва" и при курсовом проектировании бортовых радиопередающих
устройств СВЧ.

Рецензенты: Г.И. Веселов • В.А. Романюк, В.В. Рощин

С) Московский авиационный институт, 1985 г.
1. ВВЕДЕНИЕ

В бортовых импульсных радиолокационных системах (РЛС)
с большой скважностью 1000) широкое применение нахо-
дят магнетронные передатчики, построенные по однокаскадной
схеме, показанной на рис. 1.1. (Здесь ИМ импульсный модуля-
тор, управляющий режимом магнетрона; ИП — блок источников
питания.) Под фидером [5] понимается линия передачи СВЧ (ко-
аксиальный волновод или прямоугольный волновод) и вспомогатель-
ные устройства (соединители, вентили, элементы подстройки и
. т.д.), с помощью которых энергия радиочастотного, сигнала под-
водится от магнетрона к антенне. Достоинствами таких передат-
чиков являются их сравнительная простота,. компактность, не.боль-
щие габариты и масса, а также относительно высокие КПД, что
весьма важно для радиоустройств, устанавливаемых на летатель-
ных аппаратах^ К недостаткам однокаскадных передатчиков сле-
дует отнести невысокую стабильность частоты, сильное влияние
нагрузочных цепей на режим работы магнетрона. В ряде случаев

это может привести к появлению

эффекта длинной линии

" и к

связанным с этим неустойчивости режима и перескокам амплиту-
ды и частоты колебаний.
Эффект длинной линии уст-
раняется включением фер-
ритового вентиля на выхо-
де магнетрона ( см. рис. 1.1).
Для повышения стабильности
частоты магнетрона приме-
няют различные методы ста-
билизации, например при по-
мощи высокодобротного объ-
емного резонатора.

Радиолокационные им-
пульсные передатчики гене-
рируют равномерную последо-
вательность прямоугольных
радиоимпульсов длительностью 2^ , имеющих период повторения
7^ . Типичной является работа передатчика в режиме генериро-
вания коротких импульсов'с большими периодами и скважностью

• Р0ЖИМ генератора передатчика — магнетрона при
импульсной модуляции характеризуется импульсными параметра—

ми

а также средними, т.е. усредненными за период 7^ , причем

в случае прямоугольных импульсов средняя выходная мощность
магнетрона связана с импульсной соотношением ^/хи•
Средняя мощность определяет тепловой режим магнетрона.

В случае импульсной работы однокаскадных радиопередатчи-
ков наименьшая и наибольшая длительности импульсов огра-
ничены следующими условиями.

1.	При увеличении пропорционально сокращается полоса х
спектра частот, в пределах которой заключена основная мощность
а следовательно, для устранения избыточного уровня шума долж-

на соответственно снижаться и полоса пропускания приемного
устройства. Это повышает требования к стабильности частоты
передатчика. В частности, возрастают требования к постоянству
генерируемой магнетроном частоты за время длительности импуль-
са, а значит, и к постоянству его напряжений питания во время

импульса.

2.	При слишком коротких импульсах конечное время, необ-
ходимое для нарастания амплитуды автоколебаний, и время, за-
трачиваемое на спадание высокочастотных колебаний после
окончания импульса, становятся сравнимыми с 2^ . Это приводит
к искажению формы импульса, а затем и к уменьшению средней

мощности автогенератора.

В импульсных однокаскадных магнетронных передатчиках
наиболее употребительны длительности импульсов Т порядка де-
сятых долей - единиц мкс.

Для осуществления импульсной работы магнетронного гене-

ратора на его анод должны подаваться короткие импульсы высо-

кого напряжения. На практике в импульсных магнетронных пере-

датчиках с большой скважностью применяются методы осуществ-
ления импульсной модуляции, основанные на принципе накопления

энергии от источника питания в

рме электростатической энер-



гии в конденсаторе. Широкое распространение получили импульс-

ные модуляторы с частичным разрядом накопительной емкости.
Их основным достоинством является получение формы импульсов,

близкой к прямоугольной и притом устойчивой по отношению к

возможным изменениям режима магнетрона, и второе достоинст-
во - высокий КПД зарядного процесса накопительной емкости.
Недостатком таких модуляторов является необходимость комму—
тадии, т.е. замыкания и размыкания зарядной цепи накопитель-
ной емкости» для чего в качестве коммутатора нужен управляемый
активный прибор (электронная лампа или транзистор), который
во время импульсов должен пропускать большие токи и требует
для своего управления импульсов напряжения сравнительно боль-
шой величины и хорошей прямоугольной формы.

Обратимся теперь к ознакомлению с блоками импульсного
магнетронного передатчика - магнетроном и импульсным модулято-
ром. Сначала рассмотрим характеристики магнетронов» особенно-
сти их работы на частотнозависимую нагрузку и вопросы повыше-
ния стабильности частоты магнетронов. Затем изложим принципы
действия, построения схем и расчета элементов импульсных
модуляторов с частичным разрядом накопительной емкости.

2.	МАГНЕТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

2.1.	Общие сведения

Магнетронный генератор, или магнетрон,— резонансный при-
бор М—типа, в котором замкнутый электронный поток взаимодей-
ствует с СВЧ — полем замкнутой замедляющей системы 14]. Это
электровакуумный прибор СВЧ, в котором в результате взаимо-
действия электронного потока с СВЧ—полем происходит передача
потенциальной энергии сгруппированных электронов электромаг-
нитной волне, и группирование электронов осуществляется за
счет взаимодействия электронов с поперечной электрической со-
ставляющей СВЧ—поля, а обмен энергии — за счет взаимодейст-
вия с продольной составляющей. Такое взаимодействие обеспечи-
вается за счет использования статического магнитного поливек-
тор магнитной индукции которого ортогонален векторам напряжен-
ности СВЧ - и статического электрического поля [4]. Схемати-
чески устройство магнетрона показано на рис. 2.1,а.

Первые конструкции многорезонаторных магнетронов были
разработаны во второй половине 30—х годов инженерами Н.Ф.Алек-
сеевым и Д.Е. Маляровым под руководством М.А. Бонч-Бруевича.
Техника магнетронов в последующие годы получила большое раз-
витие, и в настоящее время они широко применяются на практике,
в частности в бортовых радиолокационных передатчиках, благода-
ря относительно невысокой стоимости, малым габаритам и мас-
се, сравнительно небольшому рабочему напряжению, малому рент-
геновскому излучению и высокому КПД (до 60-80%). Магнетро-
ны позволяют получить колебания вплоть до длин волн миллимет-
рового диапазона, обеспечивая высокий уровень выходной мощно-
сти,. особенно в импульсном режиме работы (до 1ОО кВт... 1 МВт}.
Прост ра нс т Во
Ьза и моЗейстбия

В Е

СЬязки

2*г

2 Па

Рис. 2.1

АНОД

КАТОД

Основной вид модуляции, применяемой в магнетроне, - им-
пульсная модуляция с большой скважностью. Серьезными недостат-
ками магнетрона являются: невысокая стабильность частоты его
колебаний, небольшой диапазон перестройки частоты, затруднение
с осуществлением сложных видов модуляции, сравнительно высо-
кий уровень мощности паразитного излучения.

Магнетрон конструктивно выполняется в виде цилиндрическо-
го диода (рис. 2.1). Анодом (или анодным блоком) является
замкнутая в кольцо резонаторная (замедляющая) система, внут-
ри которой расположен нагреваемый катод цилиндрической формы.
Кольцевой зазор между анодным блоком и катодом является про-
странством взаимодействия электронов с СВЧ—полем. Число ре-
зонаторов в замедляющей системе всегда бывает четным для по-
лучения в магнетроне рабочих колебаний «и -вида, когда сдвиг
фаз между СВЧ—полями соседних резонаторов составляет 180 .
Однако частота колебаний —вида близка к частоте соседних
по номеру видов колебаний, что приводит к неустойчивости рабо-
ты магнетрона. Для устранения этого в магнетроне применяют
связки в виде проволочных (или ленточных) проводников, распо-
ложенных над торцами анодного блока, которые соединяют экви-
потенциальные для колебаний ТС —вида точки на резонаторах че-
рез один. В магнетронах, работающих на длинах волн короче
3 см, эти связки конструктивно трудно выполнимы из-за их ма-
лых размеров, поэтому применяют разнорезонаторные анодные
блоки, в которых чередуются резонаторы разных размеров
(рис. 2.1,6), позволяющие отдалить частоту колебаний 71—вида
от частоты колебаний других видов.
Поскольку резонаторы анодного блока взаимосвязаны, связь
с нагрузкой осуществляется посредством элемента связи (петли
связи или диафрагмы в резонаторе), присоединяемого либо к ко-
аксиальному кабелю, либо к волноводу, отводящему СВЧ—энергию
от магнетрона (рис. 2.1,а).

Для обеспечения вакуума в приборе сверху и снизу анодный
блок закрыт крышками, которые припаиваются к кольцевым вы-
ступам на торцах анодного блока, а вывод СВЧ-энергии имеет
вакуумное уплотнение (диэлектрическую перегородку). Внешняя
поверхность анодного блока магнетрона имеет ребра для улучше-
ния теплоотвода.

Выводы питания катода, служащие ему' также механической
опорой, выводятся в одну сторону через вакуумные уплотнения
в торцах анодного блока и закрываются массивным стеклянным
кожухом.

Магнетроны, на фиксированные длины волн не имеют органов
перестройки частоты. Перестраиваемые механически по частоте
магнетроны снабжены специальным устройством - для перестройки
частоты и имеют более сложную конструкцию анодного блока.

Постоянное, направленное по оси прибора (цилиндра) магнит-
ное поле создается внешним магнитом, для чего магнетрон поме-
щается между его полюсами. Постоянное электрическое поле меж-
ду анодом и катодом создается напряжением источника анодного
питания. ''Плюс* источника питания обычно заземлен, так как для
удобства эксплуатации прибора анодный блок, являющийся внеш-
ней частью прибора, заземляется, а высокое отрицательное на-
пряжение подается на катод. Вследствие этого в пространст*-
ве взаимодействия, т.е. между анодом и катодом, будет постоян-
ное электрическое поле, по направлению близкое к радиальному.
Ориентация векторов напряженности электрического поля Е и
магнитной индукции В показана на рис. 2.1,а. Принимая, что
радиусы анодного блокаи катодного цилиндра/^ (рис. 2.1,а)
удовлетворяют условию/^ и	(где	— расстояние

между анодом и катодом), как это бывает в реальных конструк-
циях, можно считать поле Е однородным и равным Е - /Л.

Под действием полей Е и В (причем в Вкр) возникает цикло-
идальное движение электронов, при котором средняя поступатель-
ная скорость электронов в азимутальном направлении, называе-
мая^ переносной, определяется ^напряженностью электрического по-
ля Г и магнитной индукцией В •

* Екр - критическое значение магнитной индукции, при ко-
тором траектория движения электрона касается анода.
.	(2.1)

Однако в отсутствие генерации электроны не достигают ано-
да, и ток во внешней цепи магнетрона равен нулю. Таким обра-
зом, электронный поток вследствие действия постоянного элект-
рического и магнитного полей образует кольцо пространственно-
го заряда, вращающегося вокруг катода.

В динамическом режиме в замедляющей системе распростра-
няются электромагнитные волны, с которыми взаимодействуют
электроны пространственного заряда. Отметим, Что в кольцевой
замедляющей системе магнетрона СВЧ—поле представляет собой
стоячую волну с целым числом волн, укладывающихся по окруж-
ности. При колебаниях 71 -вида на .каждый резонатор приходится
одна стоячая полуволна. Стоячую волну можно приближенно (пре-
небрегая наличием высших пространственных гармоник) предста-
вить как сумму двух простых синусоидальных бегущих волн, рас-
пространяющихся в противоположных направлениях. Электроны
практически взаимодействуют эффективно лишь с той волной, ко-
торая движется в одном с ними направлении, при выполнении
условия синхронизма

(2.2)

где 2^, — фазовая скорость волны; — переносная скорость
электронов.

Если условие синхронизма выполнено, то электроны, попав-
шие в тормозящую фазу СВЧ-поля, продолжают двигаться в ней,
группируясь и отдавая СВЧ—полю энергию, приобретаемую от по-
стоянного поля, т.е. преобразуя энергию источника питания в
энергию СВЧ—колебаний. При этом остается неизменной,
определяемой лишь отношением &	, и условие (2.2) со-

храняется во все время движения.

Условие синхронизма (2.2) можно выразить через парамет-
ры магнетрона, представив 4^,	(^2?	)/2/Г, а

*(/^ — Л^). Здесь номер вида колебания, например для коле-
бания 7Г- вида П-Л//2. ( Д/- число резонаторов замедляющей
системы; 43^- частота колебаний данного вида).

Тогда условие синхронизма запишется как



(2.3)

Таким образом, если при работе магнетрона происходят не-
большие отклонения или б от значений, определяющих усло-
вие (2.3), это приводит к изменению частоты его колебаний ОО/у-

В
Отметим еще одну особенность в работе магнетрона. Катод

магнетрона работает в условиях интенсивной электронной бомбар-

дировки возвращающимися электронами, т^. теми, которые не уча-
ствуют в полезном рабочем процессе. Это явление вызывает до-
полнительное повышение температуры катода. Мощность, затрачи-
ваемая на это нагревание,'составляет от 2 до 20% выходной
мощности магнетрона, поэтому после возбуждения колебаний в

магнетроне обычно снижают или даже выключают напряжение на-
кала, чтобы не перегреть катод.

Выходная мощность

(т.е. мо:

•к

«ость в нагрузке), КПД

и частота колебаний магнетрона определяются анодным напря-
жением , магнитной индукцией 3 и сопротивлением нагрузки,

которое в общем случае является комплексным. Выбор режима
работы магнетрона производится по его раббчей и нагрузочной

характеристикам.

2.2.	Рабочая характеристика

Рабочая характеристика магнетрона — это совокупность кри-
вых постоянных значений мощности, частоты и КПД магнетрона,
построенных в координатах *ток анода — напряжение анода* для

фиксированных значений напряженности магнитного поля при за-
данных значении и фазе коэффициента отражения нагрузки [4].
Обычно она снимается для каждого типа магнетрона при работе
его на согласованную и постоянную нагрузку (фидер на рис. 2.6,
работающий в режиме бегущей волны). Рабочая характеристика
позволяет выбрать и оценить режим работы магнетрона.

Режим работы магнетрона полностью определяют две незави-
симые переменные: — анодное напряжение и 3 — магнитная

индукция, они позволяют найти для выбранной рабочей точки по-

стоянный анодный ток \ подводимую к анодной цепи мощность
4? ; выходную мощность	» КПД тр ; мощность, рассеи-

ваемую на аноде Ррае ; генерируемую частоту^ .

Обычно принято изображать рабочую характеристику в коор-

динатах	. Типичная рабочая характеристика магнетрона

приведена на рис. 2.2 и 2.3. По оси абцисс отложен ток X »
а по оси ординат — напряжение . На этой плоскости нанесены

линии постоянной величины магнитной индукции 3 -С&П&Е » вы-
ходной мощности	, КПД	и частоты

Зависимости Л^(С2^) при 3—С&7Щ? представляют собой вольт-
амперные характеристики магнетрона. Согласно условию синхро-
низма (2.3) при данной частоте колебаний отношение 2^/29
должно. оставаться неизменным. Поэтому смещение характеристик
)при изменении 3 должно происходить так, чтобы Цу/З
оставалось примерно постоянным. Наклон кривой	при

в заданной рабочей точке характеризует так называе-

мое динамическое сопротивление, определяемое как отношение
малого приращения напряжения анода к соответствующему прира-
щению тока анода магнетрона [4}



(2.4)

Пользуясь вольт-амперной характеристикой, можно определить
также статическое сопротивление магнетрона в рабочей точке
(т.е. при заданных 13 и 0 ) [4]:

(2.5)

Динамическое сопротивление в рабочей области магнетрона
обычно бывает в 5—10 раз меньше . Поэтому режим магнет-

рона, как правило, устанавливают и контролируют не по анодно-
• му напряжению ЗУ# , которое относительно мало меняется в пре-

делах кривой	при	а по величине тока З# .

Рис. 2.2

Рис. 2.3

КПД	показывают, что с возрастанием ца-

, а следовательно, и магнитной индукции в (для

Кривые

пряжения (То

выполнения условия (2.3)) КПД увеличивается. Рассматривая
общий КПД р как произведение электронного КПД

и КПД анодной колебательной системы с выходным устройством

КОН 9 можно отнести наблюдаемое на рис. 2.2 изменение!^
только к , так как	практически независим от режима.
Наибольший КПД достигается тогда, когда электроны попа-
дают на анод с наименьшей кинетической энергией. Рассматри-
вая траектории движения электронов (рис. 2.4), можно заметить,

что энергия, рассеиваемая на аноде при попадании на него элек-
трона, есть кинетическая энергия, которую электрон набирает в
процессе движения, начиная- от последней точки возврата своей
траектории. В случае однородности электрического поля эта
энергия пропорциональна расстоянию последней точки возврата
до анода Д . Перенесение этой точки возврата возможно бли-

же к аноду уменьшает отношение кинетической энергии электро-
на, рассеиваемой на аноде » к потенциальной энергии

,которую он имеет у поверхности катода, и КПД



' возрастает

так как

(2.6)

Такое перенесение точки возврата к поверхности анода достигает-

ся уменьшением радиуса вращательного движения электрона, ко-
торый пропорционален отношению ^10^ . Можно показать [2] ,
что этой же величине пропорционально отношение

2т	_

л 1 где & и Ш - заряд и масса электрона. С учетом

этого

у 2т С?#
7эа ? е дгдг.

(2.7)

Рис. 2.4

Рис. 2.5

Таким образом, при возрастании 4^ и в уменьшается рас-
стояние электрона от последней точки возврата до анода, что
приводит к увеличению . С другой стороны, поскольку отно-
шение &<,!?> должно быть неизменным (условие (2.3);, полу-
чаем, что У) будет увеличиваться с возрастанием 0 (см.(2.7)).
С возрастанием тока 1а при В-СС'пзЕ сначала увелини-
ей, затем достигает максимума и начинает медленно уменьшать-
ся (рис. 2.5). Это объясняется тем, что при малых токах ухуд-

шается группировка электронов в сгустки вследствие малых ве-
личин фокусирующего СВЧ—поля. А при больших токах уменьше-
ние связано с взаимным расталкиванием электронов, вызван-
ным большой плотностью пространственного объемного заряда в

спицах электронов.

оыходная мощность	у с ростом как , так и

(или, что то же самое, с ростом 3 для выполнения условия

(2.3)) возрастает. Кривые

с ростом Х& снижаются

(рис. 2.2), так как, если принять, что р в рабочей области
характеристики слабо зависит от я то для получения ”
~ сапЯЁ при увеличении напряжение должно уменьшаться.

На рабочих характеристиках магнетронов (рис. 2.2) кривые

постоянной частоты обычно не приводятся, так как вид кривых

сильно меняется для различных магнетронов одного и того же
типа. Рассмотрение же кривых на рис. 2.3 показывает,
что изменение генерируемой частоты /* связано с изменением
отношения	/3 , как это следует из условия (2.3). Если же

сапя/ , то увеличение частоты связано с ростом из-за
возрастания в соответствии с (2.3), Изменения частоты ко-
лебаний магнетрона вследствие непостоянства’ его анодного тока
при	и при постоянных внешней нагрузке и темпера-

туре анодного блока магнетрона, измеряемые в мегагерцах на
один ампер изменения тока, называют электронным смещением
частоты. Это явление имеет важное практическое значение, а

величина смешения зависит от диапазона частот и мощности

магнетрона, составляя для магнетронов сантиметрового диапазо-
на от нескольких десятых до нескольких единиц МГц при измене-
нии тока на один ампер. При амплитудной модуляции магнетро-
нов электронное смещение вызывает паразитную частотную моду-
ляцию, а при импульсной работе — расширение спектра СВЧ—им-
пульсов, генерируемых магнетроном, если на вершине импульсов
анодного напряжения, подаваемых от импульсного модулятора на
магнетрон, имеют мест;о осцилляции или происходит монотонное
изменение напряжения во время импульса. Отсюда возникает
жесткое требование к постоянству напряжения во время импуль-

са, подаваемого от импульсного модулятора.

Пример определения параметров режима магнетрона по ра-
бочей характеристике показан на рис. 2.2 и 2.3. В точке Д

гг9 лш г*	Л '

режим характеризуется параметрами:	3	> у >	>

~к/* - Динамическая характеристи-
совпадает с линией	(прямая ).

ка магнетрона
2.3.	Нагрузочная характеристика

Влияние изменения внешней нагрузки магнетрона на величи-
ну мощности, отдаваемой им в нагрузку Р, и генерируе-
мую частоту колебаний у* описывается нагрузочной характери-
стикой [4]. Эта характеристика обычно снимается эксперимен-
тально для каждого типа магнетрона при постоянных значениях
магнитной индукции в и анодного тока . За нагрузочное со-
противление (или проводимость) магнетрона принимается вход-
ное сопротивление (или входная проводимость) фидера, идущего
от магнетрона к антенне (рис. 2.6).

Мощность и частота представляются на нагрузочной харак-
теристике не как функции величины полного нагрузочного сопро-
тивления, а как функции коэффициента отражения Г* во входном
сечении фидера, более удобно измеряемого на практике. Нагру-
зочная характеристика строится по результатам измерений коэф-
фициента отражения _/*=/’и одновременного измерения мощно-
сти и частоты колебаний у в полярных координатах (за
радиус-вектор принимают модуль коэффициента отражения Г ,
а азимут — его фаза ). Таким образом, нагрузоч-
ная характеристика представляет собой совокупность
кривых постоянных значений мощности и чаототы, по—
строенных на круговой диаграмме для различных значений Г и
фазы <р . Пример нагрузочной характеристики магнетрона приве-
ден на рис. 2.7. Согласованная активная нагрузка соответству-
ет точке Г — О.

270°

Рис. 2.7

При снятии нагрузочной характеристики магнетрона коэффи-
циент отражения Г во входном сечении линии передачи, опреде-
ляемый как /" = ^огр	(гдеи комплексные ампли-

туды отраженной и падающей волны соответственно), может
быть измерен, например, при помощи измерительной линии, вклю-
чаемой в отрезок линии передачи, возможно более близкий к вы—
ходному фланцу магнетрона. Измерительная линия позволяет опре-
делить коэффициент стоячей волны(где/^^^.
и	— напряжение в максимуме и в минимуме стоячей вол-

ны соответственно), с которым модуль Г1 связан известным

соотношением

а также положение ближайшего к вход-

ному сечению фидера минимума	в фидере, т.е., расстоя—

1ие	положения &???*?? до входного сечения, которое при-

нято фиксировать для нахождения фазы коэффициента отражения
1

(р , определяемой удвоенной длиной с#?*# и равной <р=*^—г
Здесь Лл, - длина волны в фидере.

тщ '

Входное сопротивление фидера можно выразить через ко-
эффициент отражения в его входном сечении линии как

Перейдя к входной проводимости, получим

/ *

(2.8)

Здесь и в6л — активная и реактивная доставляющее
волновое сопротивление^фидера.

Диаграмма зависимости

от КОЭФФИ~

даента отражения/ в линии известна как круговая диаграмма.
На ней диаграммы проводимостей	об-

разуют систему ортогональных окружностей (рис. 2.8). Сравни—

вая эту диаграмму с нагрузочной характеристикой магнетрона,
показанной на рис. 2.7, можно заключить, что линии нагрузоч-
ной характеристики	довольно близки по своей фор-
ме к окружностям	> а линии- к окруж-
ностям	. Можно также показать, используя формулу

(2.8), что зависимости/^ и&#л от фазы коэффициента
отражения <р при фиксированных значениях Г* являются периоди-
ческими по <р (рис. 2.9).



Рис. 2.8

-к

Фаза *р

определяется с точностью до целого числа 'к.
Входная проводимость фидера создает нагрузку для
магнетрона. Изменение нагрузки во время работы магнетрона

приводит в общем случае к изменению как выходной мощности,
так и частоты колебаний. Сравнение экспериментальных нагрузоч-
ных характеристик магнетрона с кривыми круговой диаграммы
(рис. 2.8) позволяет заключить, что непостоянство выходной
мощности	обусловлено в основном изменением активной со-
ставляющей входной проводимости	фидера, а изменение ча-

стоты колебаний определяется лишь изменением реактивной со-
ставляющей в#* . В подтверждение этого рассмотрим влияние
нагрузки на	и / , пользуясь эквивалентной схемой маг-

нетрона с внешней нагрузкой, показанной на рис. 2.6,6 и 2.10.
Часть схемы, обведенная пунктиром,- магнетрон, представленный
при работе ла частотах, близких к частотам номинального режи-
ма уо при колебаниях —вида, колебательной системой с выход-
ным устройством, состоящей из элементов с сосредоточенными
параметрами. Влияние пространственного заряда в магнетроне
учитывается подключением к схеме электронной проводимости

&$/? » где и 3^ - активная и реактивная состав-
ляющие . Индуктивность /С ,• емкость С и сопротивление

А* представляют собой эквивалентные параметры анодной коле-
бательной системы. Индуктивность петли связи и взаимоин—
дуктивность Л7 определяют степень связи магнетрона с внешней
нагрузкой, которой является входное сопротивление 2^ (или
проводимость У Их = 1/^Л фидера с волновым сопротивлением

, нагруженным на сопротивление 2Входное устройство
магнетрона можно считать идеальным трансформатором, служа-

щим для согласования сопротивления нагрузки с внутренним со-
противлением магнетрона для получения достаточно большого
значения выходной мощности. Так как это устройство конструк-
тивно связано с магнетроном,то эквивалентную схему (рис.2.10,а)
упростим, исключив из нее выходное устройство. Пользуясь тео-
рией обычных связанных контуров, заменим влияние второго кон-
тура на первый, включив в него вносимые активные и реактив-

ные сопротивления

г

2

г ♦

сопротивление второго контура,
активная и реактивная составляющие входного сопротивления
2• После этого получим эквивалентную схему
на рис. 2.10,6. Иногда удобнее пользоваться другой схемой
Крис. 2.1О,в). Пересчитав и в эквивалентные сопро-
тивления, подключенные параллельно контуру

, где^/7-»^/^ или перейдя от сопротивлений

А^У к проводимостям и , получим схему на рис.2.1О,г.
и	определяются * соответственно активной и реактивной

составляющими входной проводимости фидера У^ , которые яв-
ляются периодическими функциями фазы коэффициента отражения

<Р при/^ЛХЛУ/ (рис. 2.10>, поэтому характер зависимостей
и от'<р при /''«Лзгзиг/ будет аналогичным.

Нм	и

Рис. 2.10

Отметим, что проводимость У^ определяется главным об-
разом анодным напряжением 4^ и током и практически не за-
висит от частоты (в тех относительно небольших пределах изме-
нения, которые рассматриваются). Будем считать, что при рабо-
те магнетрона С7& и / неизменны. Непостоянство внешней нагруз-
ки магнетрона приводит к изменению вносимых активного и реак-
тивного сопротивлений. Приняв, что УС^ от частоты зависит сла-
бо, получим, что изменение собственной частоты колебательной
системы и, следовательно, генерируемой. магнетроном частоты
будет следствием изменения вносимого реактивного сопротивле-
ния, а изменение выходной мощности магнетрона — следствием
изменения вносимого активного сопротивления. Иначе говоря, из-
менение входного сопротивления фидера, являющегося нагрузкой
магнетрона, приводит к изменению вносимого сопротивления,
приводящего к непостоянству РДь/х и У магнетрона.

Мощность, отдаваемая магнетроном в нагрузку, имеющую
проводимость , равна	, где & — амплитуда

напряжения во входном сечении фидера. При этом /7 слабо зави-
сит от изменения условий нагрузки, так как линии

на нагрузочной характеристике близки по форме к окружностям
на круговой диаграмме проводимостей. Исключение
составляет область нагрузок, характеризуемых большой .близ-
кая к точке /"*= 1,	= 180° (т.е. в фидере устанавливается

режим, близкий к режиму стоячей волны). Здесь (рис. 2.7, за-
штрихованная область) выходная мощность возрастает, однако
магнетрон работает неустойчиво.

Кривые изменения Р&Ы* при Г =	и изменении

фазы будут иметь периодический характер, аналогичный из-
менению 0*вхи	при Г=	(рис. 2.9).

По нагрузочной характеристике может быть определен важ-
ный параметр магнетрона ^называемый величиной затягивания ча-
стоты* магнетрона д/ ЭД/Г > под которой понимают максимальное

изменение частоты генерируемых колебаний магнетрона, наблю-

даемое при изменении фазы коэффициента отражения нагрузки с
заданным рассогласованием на 360° [41. Кривые зависимости

Рис. 2.11

частоты от фазы (в преде-
лах одного периода колебаний)

при различных фиксированных

значениях коэффициента отра-
жения Г приведены на рис.2.11.
Параметр А / $ат принято опре-
делять при модуле Г = 0,2

(АсТ~1,5) и обозначать

Величина затягивания маг-

нетрона может быть' определена по его нагрузочной характери-
стике как разность частот, соответствующая двум кривым У -
~ ССЮъзк * касающимся с двух сторон окружности Р =0,2 (рис.2.7,
точки В и С ). Величина УзЛТСГ-ОЛ) Для импульсных магне-
тронов составляет 10*15 МГц на частотах /*~3”103 МГц и
15-20 МГц на / = 10-Ю3 МГц.

Порядок определения /^А/х м*/ ме по нагрузочной характеристике	• магнетрона в рабочем режи- может быть следующим.. До-

пустим, что измеренные значения модуля и фазы коэффициента от-
ражения будут: /* ® 0,4, а ф = 60°. Тогда^ отложив от точки О
(рис.2.7) на полярной оси радиус-вектор величиной, равной моду-
лю /^ « 0,4, и. повернув его на угол ф =* 60°, получим рабочую
точку Д , в которой генерируемая мощность магнетрона равна
примерно 0,8^^., а частота колебаний О,9985у5 •

* Под затягиванием частотах автогенератора понимается уход
эго частоты от номинальной, обусловленный изменением внешней
нагрузки, например, при перестойке нагрузочных цепей.
2.4, Особенности работы магнетрона на несогласованную линию
передачи большой длины

Нередко .в бортовых радиоустройствах передатчик и антенная
система бывают разнесены на значительное расстояние и соеди-
нены посредством длинного фидера, длина которого С су-
щественно превышает длину волны в фидере	(т.е.),

не всегда точно согласованного.

В случае магнетронного передатчика (рис. 2.6,а) такой фи-
дер, нагруженный на сопротивление 2^ , подключается непосред-
ственно к выходному фланцу магнетрона. Поэтому нагрузкой маг-
нетрона является входная проводимость фидера, режим ко-
торого в процессе работы радиопередающего устройства может
меняться. Проводимость У& представляет для магнетрона ча —
стотнозависимую нагрузку даже в том случае, если само нагру-
зочное сопротивление^^ не зависит от частоты. При этом в ра-
боте магнетронного передатчика могут возникнуть неустойчивость
частоты генерируемых колебаний и изменения величины выходной
мощности. Причиной этого является работа магнетрона
на несогласованную частотнозависимую нагрузку, в процессе ко-
торой наблюдается затягивание частоты магнетрона, сопровождае-
мое перескоками генерируемой им частоты и изменениями вы-
ходной мощности при плавной перестройке частоты магнетрона
или при небольших изменениях длины фидера. Последнее объясняет-
ся, тем, что электрическая длина фидера пропорциональна часто-
те и нагрузка, трансформируемая ко входу магнетрона фидером,
может существенно зависеть от частоты. • В связи с этим возни-
кает резкая зависимость реактивной составляющей входной про-
водимости длинного фидераС/» или, что то же самое, фа-

зы. коэффициента отражения во входном ее
Для определения частоты и мощности
те на несогласованную частотнозависимую

сечении.

магнетрона при рабо-
наг руз ку выясним,

как меняется режим магнетрона при изменении его нагрузки и
как эта нагрузка зависит от частоты генерируемых колебаний.

При рассмотрении нагрузочных характеристик магнетрона
было выяснено, что частота генерируемых им колебаний изме-
няется при изменении реактивной составляющей проводимости
нагрузки, которой является входная проводимость подключае-
мого к магнетрону фидера , характеризуемая коэффициентом отра—

жения

во входном сечении фидера. При фиксированном

значении модуля частота колебаний будет периодической функци-

ей фазы <р . Изменение частоты магнетрона со =25?/*

при изме-

нении фазы <р можно охарактеризовать производной	-

С другой стороны, фаза коэффициента отражения <р на входе фи-
дера определяется частотой магнетрона со , удвоенной длиной 4
и фазой нагрузки и может быть найдена как

<Р=-Р-2/ +	,	(2.9)

здесь Я и С - длина волны; и скорость света в свободном про-
странстве.

Если допустить, что в узком диапазоне изменения частоты
колебаний отношение Л приближенно можно считать посто-
янным, а	, то изменение фазы ф при изменении ча-

стоты СО будет

(2.10)

т.е. фазовая характеристика <р(б&) фидера имеет линейный харак-
тер зависимости от / .С 'ростом I крутизна характеристики
увеличивается.

Таким образом, при изменении частоты магнетрона СО в фи-
дере меняется фаза <р (см. (29)), а это, в свою очередь, при-
водит к изменению частоты, генерируемой магнетроном (вслед-
ствие изменения	Определим частоту колебаний магнетро-

на, соответствующую стационарному режиму. Выполним Это гра-
фически. На рис. 2.12 приведена кривая 63^ф) магнетрона при
Г=соп5! о) и прямая <р<го) фидера. Пересечение этих ли-
ний и определяет частоту генерации магнетрона. Если длина фи-
дера / невелика и, следовательно, фаза <р меняется от частоты
63 слабо, то прямая <р(сз) на графике идет круто вверх и имеет-
ся лишь одна точка пересечения линий 63бф) и<р6>3) , т.е. часто-
та генерации будет единственной. Для больших / зависимость
(р от 63 становится резкой, наклон прямой	к горизонталь-

ной оси увеличивается и точек пересечения 63 (ф) и <Р60) будет
несколько, например три точки на рис. 2.12. В этом случае воз-
можны уже не одна, а три частоты генерации. Однако устойчивы-
ми режимы генерации магнетрона будут только в тех- случаях,
когда выполняется условие [1]

Поэтому на приведенном графике рис. 2.12 устойчивы точки
1 и 3, а в точке 2 режим будет неустойчивым и генерация на
частоте, соответствующей точке 2, происходить не будет. Неод-
нозначность режима по частоте возникает в тех случаях, когда
наклон прямой <р(а) превышает наклон касательной к кривой
авр) в точке ф —7Г , т.е» в наиболее крутой ее части, где
О^Л/ф^^^^Арис. 2.13). Наибольшая длина фидера, удов-

детворяющая этому условию, называется критической длиной и

может быть

определена из соотношения [1]

/ =	________А_

Д/загС/'^е) Ахр

Рис. 2.12

Рис. 2.13

При />/д^в режиме непрерывной генерации магнетрона мо-
жет наблюдаться скачкообразное изменение частоты (см.
рис. 2.13) при плавном изменении длины фидера (из точки 5 в
точку 7 при увеличении <р , из точки 6 в точку 4 при уменьше-
нии <р ), аналогичное явлению затягивания в автогенераторе в
случае сильной связи его со вторичным нагрузочным контуром
достаточно большой добротности.

Критическая длина увеличивается при уменьшении ко-
эффициента отражения X7 на входе фидера, т.е. при улучшении
ее согласования с нагрузкой; Кроме того, /д^отем больше, чем
меньше (Г-ог) магнетрона.

Практически связь с нагрузкой через линию передачи боль-
шой длины	приводит к сложным явлениям при автогенера-

ции магнетрона, вызывающим характерные резкие изменения
мощности в нагрузке и частоты колебаний при фазах коэффициен-
та отражения ф , близким к К (2^ -1) при Л = 1,2,3. При
больших значениях Г1 вблизи этих точек происходит скачкообраз-
ное изменение мощности и частоты, как это показано на
рис. 2.14. При увеличении X (или фазы нагрузки ф/у ) происхо-
дит скачок из точки 1 в точку 2, а при уменьшении / (т.е.
при обратном движении) — из точки 3 в точку 4. При некоторых
значениях / мощность существенно превышает выходную
мощность при Г1 - О. За счет возрастания проводимости актив-
ной части нагрузки . Описанные явления были названы
"эффектом длинной линии".
60-00о

Рис. 2.14

Следует отметить, что двузначность частоты существует
объективно, поэтому наличие одного и другого режима одинаково
возможно и редко заранее может быть определено. Особенно вред-
ное влияние двузначности частоты наблюдается при импульсной
работе магнетрона. Очередной импульс может возникнуть как в
первом, так и во втором режиме автогенерации. Причем порядок
проявления первого или второго режима подчиняется законам
теории вероятности. Описанные явления нарушают правильную ра-
боту радиопередающего устройства. Аналогичные описанным яв-
ления возникают при перестройке частоты магнетрона, имеющего
устройство для перестройки частоты.

^0	^0
На рис. 2.15 приведены три случая работы перестраиваемо-
го магнетрона С	— собственная частота автогенерато-

ра, соответствующая условиям работы на согласованную =0^
нагрузку; 60-251/ — частота, генерируемая магнетроном). Если
коэффициент отражения /С = О, то генерируемая частота 60 рав-
на частоте . При /V О и /<7^ соответствие <0 частоте СЭ о
нарушается, но двузначности частоты нет (рис. 2.15,а). При
/V О и	возникают перескоки частоты (рис.2.15,6), и •

возможность плавного перекрытия диапазона частот исключается*

Учитывая вредные последствия эффекта длинной линии, на
практике либо применяют непосредственное расположение магне-
тронного передатчика у нагрузки С’т.е. у антенны) , либо включа-
ют в фидер между магнетроном и антенной ферритовый вентиль,
пропускающий с малыми потерями прямые волны (от магнетро-
на к нагрузке) и существенно ослабляющий (практически не про-
пускающий) волны, отраженные от нагрузки, к магнетрону.

2.5. Стабилизация частоты магнетрона с помощью
высокодобротного резонатора СВЧ

Обеспечение необходимой стабилизации частоты в радиопере-
датчиках СВЧ, в которых мощный автогенератор - магнетрон —
работает непосредственно на нагрузку радиопередатчика, являет-
ся одной из важных и трудных проблем.

Наиболее широкое применение в радиопередатчиках на маг-
нетронах получила импульсная модуляция с большой скважностью.
Поэтому изменения частоты колебаний * магнетрона сводятся к :
сравнительно медленным изменениям частоты, которые про-
исходят в интервале между импульсами, а в период генерации
отдельных импульсов частота практически не меняется. Следо-
вательно, искажения спектра генерируемого импульса вследствие
паразитной частотной модуляции отсутствуют. Нестабильность
частоты такого вида может возникнуть в • результате изменения
внешних условий, например изменения температуры анодного бло-
ка магнетрона;

быстрым изменениям частоты в период генерации отдельно-
го импульса, вызывающим искажения частотного спектра импуль-
са и расширение полосы частот, в которой сосредоточена основ-
ная часть энергии импульса. Такая нестабильность частоты об-

35 Описанные явления основываются на предположении, что
время нарастания колебаний в магнетроне, а также время, за-
трачиваемое им на переход из одного режима колебаний в дру-
гой, много больше пробега волны вдоль фидера до нагрузки С&)
и обратно.
условлена в основном непостоянством анодного тока магнетрона
во время импульса и переходными процессами при работе маг-
нетрона на несогласованную нагрузку.

Таким образом, к основным дестабилизирующим факторам,
вызывающим нестабильность частоты магнетрона, можно отнести:
изменение его анодного тока (напряжения ) и величи-
ны индукции магнитного поля 3 ;

изменение нагрузочного сопротивления (входного сопротив-
ления фидера);

изменение температуры анодного блока магнетрона.

Изменение тока (напряжения ) и величины 3 приво-
дит к изменению скорости движения электронов, что, в свою оче-
редь, приводит к изменению частоты (электронное смещение ча-
стоты), как это следует-из условия синхронизма (2.3). Для
уменьшения этого влияния обычно предъявляют жесткие требова-
ния к постоянству тока или напряжения во время импульса, ко-
торый должен обеспечивать импульсный модулятор, работающий
на магнетрон.

Изменение частоты вследствие изменения нагрузочного со-
противления связано с затягиванием частоты магнетрона. Коли-
чественно это изменение частоты определяется по нагрузочной
характеристике магнетрона (рис. 2.7). Правильный выбор ра-
бочей точки на этой характеристике позволяет уменьшить изме-
нение частоты. Однако, выбрав рабочую точку в области, где ли-
нии постоянной частоты находятся на наибольшем расстоянии
друг от друга, получим режим магнетрона, характеризуемый не-
высокой выходной мощностью, которая может оказаться меньше
заданной величины Рвы* «

С увеличением температуры анодного блока магнетрона ча-
стота его уменьшается вследствие увеличения геометрических
размеров резонаторов анодного блока. Это изменение частоты
оценивается примерно как (1 ~*2 ) • 1на 1О ф

Известно, что для получения высокой стабильности частоты
автогенератора важнейшими условиями являются высекая фикси-
рующая способность по частоте < и большая эталонность пара-
метров его колебательной системы. Под фиксирующей способно-

стью понимается величина =60

----7---- , где СО — частота ко-

лебании и -----т—---

— производная по частоте суммарного сдви-

га	в цепи самовозбуждения автогенератора. Эталон-

ностью колебательной системы называется ее способность про-
тиводействовать влиянию дестабилизирующих факторов и сохра—
нять свои параметры неизменными. Чем больше в , тем мень-
ше изменяется частота колебаний автогенератора при нарушении
баланса фаз, тем выше стабильность его частоты. Обычно фик-
сирующая способность <э определяется фиксирующей способностью
колебательной системы автогенератора, и вблизи ее резонансной
частоты, пропорциональна добротности системы 4? , т.е. С-24?.
Таким образом, необходимым условием получения высокой ста-
бильности частоты автогенератора является наличие в его схеме'
колебательной системы с большой добротностью 4? . Однако это
еще не обеспечивает полностью высокой стабильности автогене-

ратора, если дестабилизирующие факторы воздействуют также
непосредственно на параметры колебательной системы и ее ча-
стоту. Так, увеличение 4? не ослабляет влияния температурных,
механических и климатических воздействий. В этом случае не-
стабильность частоты определяется нестабильностью параметров
колебательной системы, которая будет тем меньше, чем выше
эталонность системы. Поэтому колебательная система высокоста—
бильного автогенератора, кроме большой 47 , должна также об-
ладать свойством эталонности.

Для повышения стабильности частоты, главным образом не—
перестраиваемых магнетронов, широко используется метод стаби-
лизации с помощью внешнего высокодобротного эталонного резо-
натора. Фиксирующая способность магнетронного автогенератора
определяется величиной нагруженной добротности его колебатель-
ной системы (анодного блока), где»
Л , С , и ~ параметры эквивалентной схемы, показан-
ной на рцс. 2.10,6. КПД этого же блока рА77//	И

определяет совместно с электронным КПД . общий КПД магнет-
рона Уз Укон I 4^ — ненагруженная добротность анодного
блока). Для повышения стабильности частоты надо увеличить $ .
Это можно сделать, например, ослабив связь анодного блока с
нагрузкой, что уменьшит вносимое сопротивление Однако
при этом уменьшится	и мощность, отдаваемая в нагруз-

ку. Чтобы, этого не происходило, надо одновременно с увеличе-
нием 47 увеличить и 4?^ повышением характеристического сопро-
тивления анодного блока , что приведет к-возрастанию запа-
саемой в нем СВЧ—энергии без заметного изменения выходной
мощности. Осуществить это можно соответствующим выполнени-
ем конструкции анодного блока магнетрона либо связью имею-
щегося блока с дополнительным, настроенным на рабочую часто-
ту резонатором СВЧ, имеющим очень большую ненагруженную
добротность 4?о рез (Д° Десятков тысяч) и высокую эталонность.
Так как объем анодного блока ограничивает возможность увели—
чения 4^ , применение высокодобротного резонатора СВЧ пред-
почтительно. При условии, что	9 вносимое резонатором

реактивное сопротивление будет существенно превышать актив-
ное. Это приведет к увеличению реактивного сопротивления ко-
лебательной системы магнетрона и , т.е. равносильно повы-
шению ее добротности, а значит, и увеличению фиксирующей способ-
ности.

При практическом осуществлении этого метода стабилизации
высокодобротный стабилизирующий резонатор может быть связан
с каким-либо одним резонатором анодного блока магнетрона ли-
бо подключен к выходному фланцу магнетрона (рис. 2.16). В
любом случае степень стабилизации определяется отношением
СВЧ—энергии, запасаемой одновременно в колебательной системе
магнетрона и стабилизирующем резонаторе	, к энер-
гии, запасаемой только в системе магнетрона	* Поэтому

режим работы подбирается таким образом, чтобы У//>ез была
бы в несколько раз больше, чем • При таких условиях ге-
нерируемая частота в основном задается резонансной частотой
стабилизирующего резонатора, что увеличивает стабильность ча—

стоты в несколько раз.

Коэффициент стабилизации частоты магнетрона— это
величина, характеризующая уменьшение нестабильности частоты
колебаний магнетрона со стабилизирующим .резонатором по срав-

нению с аналогичным магнетроном, не имеющим такого резона-
тора, при воздействии одного и того же дестабилизирующего
фактора.	» где Д// и 46> - изменения ча-

стоты колебаний магнетрона без стабилизирующего ре-
зонатора и со стабилизирующим резонатором соответственно.
/С^ТАб зависит от добротности 4^»^ и эталонных свойств
стабилизирующего резонатора, а также от степени связи анодной
колебательной системы магнетрона с резонатором. С увеличением
стабильность частоты возрастает. Эталонные свойства
стабилизирующего резонатора должны быть высокими с тем, что-
бы изменения его параметров под воздействием дестабилизирую-
щих факторов были бы минимальны. Стабилизирующий резонатор

может эффективно выравнивать температурные изменения часто-

ты лишь в том случае, если он термокомпенсирован лучше, чем
магнетрон. С целью снижения влияния температуры резонатор

изготавливается из материала с малым коэффициентом линейно-

го расширения, а в ряде случаев применяются различные спосо-
бы температурной компенсации. Постоянство температуры стаби-
лизирующего резонатора поддерживать легче, чем магнетрона,

так как в нем рассеивается меньше энергии и доступ к нему

легче.

26
— дополнительная
нагрузка

согласующая
биафрагмд-----

к нагрузке

0ГП а б ИЛ ИЛ Ир у К> ьч аи
резонатор

]]±г222Ш2Й22±г222г22^2^

(2.К+<)^/ Ц

Рис. 2.16

магнетрон

Схема магнетрона со стабилизирующим резонатором приведе-
на на рис. 2.16. Здесь резонатор включен через 7* —образное
волноводное соединение в фидер. Расстояния от резонатора до
—образного соединения и от него до магнетрона равны нечет-
ному числу , т.е. (2Л +1).Л/ /4 (где Л & — длина вол-
ны в волноводе, К == 0,1,2...); такое расстояние выбрано потому,
что использовано соединение в плоскости Е волновода (это экви-
валентно последовательному включению). Полное расстояние от
резонатора до выходного фланца магнетрона составляет расстоя-
ние, кратное	/2, что обеспечивает сильную связь резона-

тора с магнетроном. Как показали более подробные исследования
[3] , при расположении стабилизирующего резонаторы на некото-
ром расстоянии от магнетрона, в автоколебательной системе —
магнетрон, линия связи, резонатор - возможно воз-
никновение трех видов колебаний: основного и двух дополнитель-
ных. Одним из методов подавления нежелательных видов колеба-
ний является включение активного сопротивления последова-
тельно со стабилизирующим резонатором. В этом случае для ос-
новного вида колебаний сопротивление резонатора будет велико,
поэтому ток через него и через сопротивление гу&п будет мал.
На дополнительных видах колебаний, значительно отличающихся
по частоте от основного, сопротивление резонатора резко умень-
шается, а ток через сопротивление '^/7 увеличивается, что при-
водит к сильному затуханию этих колебаний.

При практическом осуществлении связи между магнетроном
и стабилизирующим резонатором возникают трудности, связанные
с усложнением конструкции и строгими требованиями к точности
27
изготовления элементов линии связи. Допустимое изменение рас-
стояния / между магнетроном и резонатором составляет до
0,01	. Поэтому в некоторых конструкциях используются

подстроечные элементы, например, настраивающий винт. Серьез-
ные затруднения при разработке стабилизирующих резонаторов
вызывает обеспечение требования их электрической прочности.
Это требование становится более жестким, если резонатор дол-
жен обеспечивать не только заданную стабильность частоты, но
и необходимый диапазон перестройки.

В специальных стабилизированных магнетронах имеются два
выходных устройства (активный и реактивный выходы), одно из
которых (активный выход) обычным образом связано’ с внешней
нагрузкой, другое (реактивный выход) сильно связано со стаби-
лизирующим резонатором (рис. 2.17). В этом случае линия свя-
зи становится короче. При работе неперестраиваемого магнетро-
на на фиксированной частоте резонатор должен иметь настройку
по частоте, чтобы компенсировать неустранимый при серийном
изготовлении магнетронов разброс по генерируемой частоте и
изменения параметров магнетронов при длительной эксплуатации,
а также случайные изменения режима работы магнетрона. Одна-
ко более высокий	можно получить, если использовать при

работе на фиксированной частоте стабилизацию резонатором в
сочетании с перестраиваемым магнетроном. В этом случае мож-
но пойти на уменьшение диапазона перестройки магнетрона в
целях увеличения коэффициента стабилизации.

дополнительная
нагрузка

подстрой ко
резонатора

нагрузка

с гп сгб или з иру ниц ц й
резонатор

Рис. 2.17
3.	ИМПУЛЬСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ. С ЧАСТИЧНЫМ РАЗРЯДОМ
НАКОПИТЕЛЬНОЙ ЕМКОСТИ

3.1.	Основные методы осуществления импульсной работы

передатчиков

Импульсный режим работы радиопередатчиков используется
в радиолокационных, радионавигационных, телеметрических систе-
мах, в многоканальных системах радиосвязи и т.п.

Для магнетронных импульсных передатчиков, как уже указы-
валось, характерным является излучение равномерной последова-
тельности прямоугольных радиоимпульсов.

Типичная идеализированная временная диаграмма радиоим-
пульсов излучения передатчика при импульсной работе показана
на рис. 3.1, где обозначено: 7^ - период излучаемых высокоча-
стотных колебаний; - длительность радиоимпульса; 7^ - пе-
риод повторения импульсов; - амплитуда тока, например,
в антенне.

Рис. 3.1

Параметром, определяющим основные особенности импульс-

ной работы передатчика, является скважность

В случае, когда ^<< 77г

Та

При малых скважностях (	1...10) для осуществления

импульсного режима пригодны практически все методы ампли-
тудной модуляции. Просто в этом случае модулирующий сигнал

представляет соответствующую последовательность электрических
импульсов (телеметрический сигнал, сигналы многоканальной
импульсной связи и т.п.).

При больших скважностях (У== 10...103), характерных для
радиолокационных и радионавигационных систем, используются

29
специальные методы осуществления импульсной работы. Именно
при 1 режим работы передатчика имеет ряд особенностей,
и такой режим Р соответственно 5и следует считать импульсным.
Первая особенность импульсного режима состоит в том, что сред-
няя за период повторения импульсов мощность Ре ср , потребля-
емая модулируемым генератором от источника постоянного напря-
жения, существенно меньше импульсной мощности Раи , потре-
бляемой генератором по постоянному току во время рабочей
длительности импульса'	,

При строго прямоугольной форме импульсов

Ра

а ер у

(3.1)

Простейший метод осуществления импульсной работы состоит
в том, что источник постоянного напряжения Це подключается к
модулируемому генератору с	ц

помощью коммутатора /( толь— ]—...... —	1 1 —

ко на короткое время 2^ .	I Ы П 1Г	Г

Структурная схема модулятора I	°

для этого случая показана на	I——I	]	1

рис. 3.2. -

Источник питания в такой

Рис. 3.2

схеме должен развивать полную мощность Ре ~Ро и только в тече-
ние Та , а в паузах между импульсами 6^7*	*-и работает

без нагрузки, т.е. значительную часть времени не используется.
Именно из-за нерационального использования источника питания
по мощности рассмотренная схема для практики оказывается не-
пригодной.

Поэтому при у» 1 для осуществления импульсной работы, по-
лучили распространение схемы с накопителем энергии.

В таких схемах в паузах между импульсами источник пита-
ния работает на накопитель энергии, расходуя при этом мощность,
значительно меньшую, чем требуется для работы генератора. За-
тем уже накопитель на' короткое время подключается к мо-
дулируемому генератору, и в течение этого времени в генераторе
расходуется мощность Ра и , существенно большая, чем мощ-
ность источника питания. Понятно, что в таких схемах источник
питания будет использоваться более продуктивно.

Роль накопителя энергии могут выполнять реактивности:
либо емкость, либо индуктивность. В емкости энергия запасает-
ся в виде энергии электрического поля, в индуктивности — в ви-
де энергии магнитного поля.

Наибольшее распространение получили модуляторы с емкос'г-
ным накопителем. Структурная схема простейшего способа ис—
30
пользования емкостного накопителя для осуществления -импульс-
ной работы генератора показана на рис. 3.3, а временные диа-
граммы токов и напряжений в схеме — на рис. 3.4.

В паузах между импульсами коммутатор К разомкнут, и
накопительный конденсатор С на к сравнительно медленно заря-
жается от источника питания через резистор до напряже-
ния Цстазс > практически до напряжения источника, т.е.

После замыкания коммутатора Д' к заряженному до
конденсатору	оказывается подключенной цепь постоянного

тока модулируемого генератора. И в течение времени конден-
сатор разряжается на , на сопротивление этого генератора
постоянному току. Сопротивление коммутатора должно быть су-
щественно меньше .

Если &0Г/О (а при	1 это условие легко выпол-

нить), то максимальный зарядный ток
будет существенно меньше максимального тока разряда конден—
сатора^^/тау^г^^^/пггсг , равного максимальному току в на-
грузке -г	т . Здесь ЕГстич - напряжение

-уихзтал- —
на конденсаторе к концу длительности разряда .

Таким образом, в схеме с емкостным накопителем как бы

осуществляется трансформация тока: ток нагрузки существенно
больше тока источника питания. Поскольку	> то мощ,“

ность источника питания	может быть много мень-

ше мощности, потребляемой в импульсе генератором

Оценим КПД процесса заряда емкости в такой схе-
ме [2] . Предположим, что за время , пока коммутатор замк-
нут, конденсатор ^нах не успевает разрядиться полностью, как
показано на рис. 3.4.

При заряде напряжение на емкости растет отДо



//ах

и накопленная электростатическая энергия возрастает на вели-

чину


Рис. 3.3

Цар

I

Рис. 3.4
а заряд в емкости - на величину

Мс

На это источником питания будет затрачена энергия



Поэтому КПД процесса заряда

’ (а -	)и;~йГ 	(3'2)

Здесь иее^г	среднее за период 7^ напряже-

ние на конденсаторе, отмеченное на рис. 3.4 пунктирной линией.

Таким образом, чем меньше 'отличается.Цсср от , тем вы-
ше КПД процесса заряда накопительного конденсатора. На прак-
тике можно реализовать	0,9...0,95.

Отметим, что при полном разряде емкости, т.е. при

и р^^О,5. Таким образом, даже если от-

влечься от оценки формы импульса, из сказанного следует, что
Использовать простейшую схему модулятора с полным разрядом

Накопительной емкости энергетически невыгодно.

На практике распространены импульсные модуляторы с ем-

костным накопителем с частичным разрядом емкости.

3.2.	Основные схемы модуляторов с частичным разрядом емкости

Простая схема импульсного модулятора с частичным разря-
дом накопительной емкости, показанная на рис. 3.3, имеет суще-
ственный практический недостаток - в ней нет общей точки сое-
динения между собой трех основных элементов схемы - источни-
ка питания, коммутатора и генератора, которую можно было бы
соединить и с корпусом и тем самым уменьшить паразитные ем-
кости схемы. Поэтому на практике применяются более сложные
схемы (рис. 3.5). На схеме накопительный элемент (емкость)
и коммутатор как бы поменялись местами, и теперь у источника
питания, коммутатора и генератора есть общая точка, которая и
соединяется с корпусом.

- Но указанное изменение потребовало добавления в схему еще
одного элемента - зарядного, который должен обеспечить путь
зарядному току при неработающем генераторе. Отметим, что роль
ограничительного и зарядного элементов могут выполнять либо
резисторы, либо индуктивности (дроссели), поэтому и модулято-
ры именуют в первую очередь по типу этих элементов. Так, на
рис. 3.6,а показан резистивный импульсный модулятор с частич-
ным разрядом емкости, на рис. 3.6,6 - резистивно-дроссельный,
на рис. 3.6,в - дроссельный, на рис. 3.6,г - резистивно-транс-
форматорный, в котором роль зарядного элемента играет индук-
тивность первичной обмотки импульсного трансформатора.

Рис. 3.5

Рис. 3.6

По своему назначению ограничительный элемент ограничи-
вает величину тока от источника питания, протекающего через
коммутатор, когда он замкнут. Этот ток должен быть существен-
но меньше тока генератора 9 также протекающего через ком-
мутатор, для этого необходимо выполнение условия
либо	.

Зарядный элемент при замкнутом коммутаторе оказывается
включенным параллельно генератору (нагрузке), поэтому его нуж-
но выбрать таким, чтобы ток через ограничительный элемент
был много меньше тока нагрузки, что соответствует условию
либ° *
Рассмотрим работу резистивного импульсного модулятора с
частичным разрядом емкости на примере схемы с ламповым ком-
мутатором, которая показана на рис. 3.7. Здесь в качестве на-
грузки для примера взят магнетрон. Кроме того, на схеме пунк-
тиром показаны паразитные емкости схемы и , которые, хо-
тя они и много меньше Снаки поэтому почти не влияют на энерге-
тические соотношения, оказывают существенное влияние на
форму импульса напряжения на нагрузке.

Рис. 3.7

Емкость С* включает в себя, помимо выходной емкости ком-
мутаторной лампы еще и емкости на корпусе деталей, сое-
диненных с ее анодом ( обкладок	> ограничительного ре-

зистора, соединительных проводов и т.д.).

Емкость С# , помимо входной емкости генератора , анало-
гично^ включает емкости на корпус деталей, соединенных с вхо-
дом генератора по Постоянному току.

К моменту отпирания коммутаторной лампы, когда накопитель-
ная емкость заряжена до максимального напряжения	• ем"

кость Сд оказывается заряженной практически до того же напря-
жения	9 а на емкости заряд по существу отсутствует.

При отпирании лампы напряжение на нагрузке [7^ не появит-
ся до тех пор, пока не подзарядится С# и не начнет разряжаться
С* , поэтому напряжение на нагрузке не сможет возникнуть
скачком. Даже если управляющий импульс идеально прямоуголь-
ный, оно будет нарастать постепенно, и достигнет своего макси-
мального значения через конечное время , как показано- на
рис. 3.8. Здесь для сравнения показан идеализированный управ-
ляющий импульс	на сетке коммутаторной лампы.
Рис. 3.8

Когда начнет разряжаться накопительная емкость, напряже-
ние на нагрузке будет медленно уменьшаться.

После прекращения управляющего импульса напряжение на
нагрузке сразу не исчезнет, и виной этому снова емкости С# и
Ск , которые теперь будут перезаряжаться. Поэтому практичес-
ки напряжение на нагрузке будет существовать и некоторое вре-
мя спустя после запирания коммутатора.

Таким образом, реальный импульс на нагрузке будет состо-
ять из трех участков: фронта, вершины и среза.

Первый участок — фронт импульса. За длительность фронта
импульса обычно принимают время, за которое напряжение на
нагрузке увеличивается от нуля до 0,95 максимального значе-
ния.

Второй участок — основная часть импульса, его вершина.
Длительность основной части импульса отсчитывается от окон-
чания фронта до момента прекращения управляющего импульса:

€/ = ~ • {3-3)

Здесь ^4^7 — длительность управляющего импульса.

На вершине происходит уменьшение напряжения на нагрузке
за счет разряда накопительной емкости, неравномерность напря-
36
жения на вершине равна Л Относительная не-
равномерность напряжения на вершине оценивается коэффициентом
формы импульса уЗ^ ~ Л м/гзС -

Наименьшее значение напряжения на вершине соответ-
ствует напряжению на нагрузке в момент окончания управляюще-

го импульса.

Наконец, третий участок — срез импульса — это участок
уменьшения напряжения на нагрузке после запирания коммутатор-
ной лампы.

Длительность среза	отсчитывается от момента прекраще-

ния управляющего импульса до момента, в который напряжение
снизится до 0,05 Ц#	•-

Все параметры импульса и условия их определения показаны
на рис. 3.8.

Теперь установим связь этих параметров (уЗу ,	,

/^ ) с параметрами схемы модулятора и параметрами управляю-
щего импульса.

Обратимся к схеме, показанной на рис. 3.7. Составим урав-
нения для токов и напряжений, используя законы Кирхгофа.

После отпирания коммутаторной лампы ее ток в любой
момент времени равен сумме токов через все цепи, имеющие об-
щую точку с катодом коммутаторной лампы:

(3.4)

Все эти токи показаны на рис. 3.7.

Напряжение на накопительной емкости в любой момент време-
ни

(3.5)

где и — напряжение на аноде лампы; — напряжение на нагруз-
ке.

Выражая токи в правой части (3.4) через напряжения в схе-
ме, соответственно получим

Разные знаки первого и третьего членов объясняются тем,
хотя заряд на обеих емкостях положительный, на емкости
он после отпирания лампы будет убывать, а на емкости С#

что

увеличиваться, а после запирания лампы — наоборот.

Учитывая (3.5), можно в (3.6) избавиться от, посколь-
ку	.	.	,
С учетом (3.5) и (3.7) уравнение (3.6) можно предста-
вить после некоторых преобразований в таком виде:

(3.8)

Общее нелинейное уравнение (3.8) описывает все основные
процессы в модуляторе при формировании импульса в нагрузке.
Нелинейность уравнения связана с тем, что ток 7а является то-
ком нелинейного элемента — коммутаторной лампы. Однако для
каждого из трех участков импульса с учетом их особенностей
уравнение (3.8) удается упростить, свести к линейному и найти
его решение. Рассмотрим эти упрощенные соотношения.

3.3.	Процесс формирования фронта импульса

За время формирования фронта импульса, пока происходит
перезаряд емкостей С* и , напряжение на накопительной ем-

кости практически остается неизменным	> так как ее

заряд уже прекратился, а разряд по существу

еще не начался.

Очевидно, для этого случая будет выполняться условие

-

(3.9)

Кроме того, накопительная емкость полностью заряжена и
напряжение на ней почти не отличается от напряжения источника
питания, поэтому для значительной части собственно длительно-
сти фронта справедливо соотношение



(3.10)

Поэтому при рассмотрении начального периода установления
напряжения на нагрузке, т.е. при рассмотрении процесса на фрон-
те импульса, в уравнении (3.6) можно опустить два послепних
слагаемых , и тогда

(3.11)

Здесь обозначено:	— общая паразитная емкость

схемы; сопротивление эквивалентной нагрузки лампы моду-
лятора на время процесса формирования фронта импульса:

=	*7/Яягр * 7/Л зар.

Уравнению (3.11) соответствует эквивалентная схема, по-

казанная на рис. 3.9, пригодная для анализа в модуляторе про-

цесса на фронте.

Происходит как бы установление напряжения на эквивалент-
ной нагрузке шунтированной емкостью , под действи-
38
ем неизменного напряжения на накопительной емкости
при открытой коммутаторной лампе, когда	_ с е^аХ

а утвХ •

Очевидно, существенную роль в этом процессе будут играть
свойства лампы.

Считая лампу прибором безынерционным, воспользуемся
идеализированной статической характеристикой коммутаторной
лампы, показанной на рис. 3.10.

Значение напряжения	> к которому будет стремить-

ся в процессе установления напряжение на нагрузке в схеме
рис. 3.9, определится пересечением выходной статической харак-
теристики лампы	для	нагрузочной прямой

(точка 4), проведенной из точки 1 (/гг =	под

углом <р -&Г~С^Г	.

Ток лампы {а в процессе формирования фронта будет изме-
няться по статической характеристике, как показано на рис.3.10

стрелками.

Сразу после отпирания лампы ток скачком вырастает до
тсхх (точка 2), при этом весь этот ток	идет на за-

ряд емкости ^у/7 . По мере заряда емкости появится ток I# в
сопротивлении , а емкостный ток будет уменьшаться (напри-
мер, в точке 3, показаны промежуточные значения

Наконец, в точке 4 емкостный ток прекратится, и напряже-
ние на нагузке достигнет своего максимума	а на

лампе напряжение уменьшится до	= X ~	•

Вычислим длительность описанного процесса, для чего вос-
пользуемся нелинейным дифференциальным уравнением (3.11).

Полагая, что во время установления напряжения на нагруз-
ке образующая точка (2—3—4) не выйдет из недонапряженной об-
ласти статической характеристики, уравнение (3.11) можно све-
сти к линей номV.
Действительно, для любой промежуточной точки (например
3) для тока лампы можем написать

сх тах

(3.12)

где Я* - внутреннее сопротивление лампы, определяющее наклон
пологого участка статической характеристики.

Для установившегося состояния (точка 4) имеем

Т Ц^тат Цнтшс	. Л.

Теперь, с учетом (3.13) и (3.12), уравнение (3.11)
вести к виду

можно при-

фр ?НГ7

нтах •

(3.14)

Здесь через Яфр обозначено сопротивление, определяющее по-
стоянную времени схемы. При этом

.	|з.15)

Решая уравнение (3.14) при начальных условиях - О при
/ = О, получим

ан = Ч'тах(У '	*<Р/>Снл) .	(3.16)

По определению, за длительность фронта принимается
время, за которое напряжение на нагрузке достигает
0,95^/77^-г . Поэтому для определения из (3.16) получим

~ ^4^/^ОЯ/О О//7

одб'и(/-е	)	(3.17)

' ^тах нтазс	' 1	'

откуда ЗЯфр С„п .

Поскольку обычно	и Яогр^ Яг , для Я<рр вместо

(3.15)	можно приближенно записать

//Л^ = (//Аг +//Я; ).	(3.18)

Таким образом, длительность фронта определяется главным
образом величинами Сип « Яг и Я/ .

Емкость ^7=^.+/?^ при конструировании генератора и мо-
дулятора должна быть предельно уменьшена. Величина сопротив-
ления Яг является заданной, так как определена режимом гене-
40
ратора. Поэтому уменьшение

г > при прочих равных усло-
виях, возможно только за
счет уменьшения . С этой
целью можно включить не-
сколько коммутаторных ламп
параллельно, выбрать лампу
с малым , а при выбран-
ной лампе уменьшить А’! >
поставив ее в перенапряжен-
ный режим (путем увеличе-
ния	> как показано

на рис. 3.11. Тогда практи-
чески при том же напряже-
нии	который за-

ряжает емкость ^ту/7 , воз-
растает, и время ее заряда,
а значит , 7 ф> уменьшается.
В предельном случае, ког-
да весь процесс установле-
ния напряжения на нагруз-
ке приходится на перенапря-
женный участок характери-
стики лампы, в (3.18) вме-

Рис. 3.11

сто Л7/ следует подставить	« где - крутизна линии

граничного режима лампы.

Но при этом оказываются тяжелыми условия работы сетки, так
как напряжение Нд/патдолжно быть значительно увеличено, что
влечет за собой увеличение тока сетки, и потребуется увеличить
мощность управляющего импульса.

Во всех случаях длительность фронта в резистивной схеме
не может быть получена меньше величины ^лл » т.е.

3.4.	Процесс формирования вершины импульса

На вершине импульса основной процесс будет связан уже
собственно с разрядом накопительной емкости. Паразитные емко-
сти С* и существенно меньше	и заметного влияния на

процесс изменения напряжения на нагрузке иметь не будут. В
схеме для анализа процесса на вершине импульса эти емкости
можно исключить.

С учетом этого основное уравнение (3.8) для процесса на
вершине примет вид
<а +

Я & гр

(3.19)

Преобрузуем это уравнение. При уменьшении напряжения ие
на накопительной емкости нагрузочная прямая будет перемещать-

ся влево параллельно начальному положению, как показано на
рис. 3.12 пунктиром. Полагая снова, что образующая точка 4-4
перемещается по недонапряженному участку статической характе-
ристики, для { можем записать

(3.20)

Смысл постояннойясен из рис. 3.12. Величинаопределя-
ется по статической характеристике для значения	как

точка пересечения продолжения пологой части статической харак-

теристики с осью ординат.

Рис. 3.12

Подставляя (3.20) в (3.19), после преобразований получим



Дифференцируя обе части (3.21) по времени, а затем избав-
ляясь от производной с&с /с(1 , с учетом того, что ток разряда
накопительной емкости — это ток через сопротивления и


(3.22)

получим дифференциальное уравнение относительно
шее процесс на вершине импульса

описываю-

(3.23)

Здесь через Яд обозначено эквивалентное сопротивление, которое

вместе с

на вершине:

определяет постоянную времени разряда емкости





(3.24)

4/	г '"'зар' V '''&гр>'

Обычно ВЫПОЛНЯЮТСЯ условия
поэтому приближенно

Снак

=	-	(3.25)

Решая уравнение (3.23) для начального условия (^ = О,
)> получим для изменения напряжения нагрузки на вер-

шие



* нтах

(3.26)



К моменту запирания коммутаторной лампы напряжение на нагруз-
ке уменьшится до величины.

1}	=1/	& КдСяак .	(3.27)

н пип н тазе

Теперь можно вычислить основной параметр импульса - отно-
сительную неравномерность напряжения на вершине

(3.28)



Обычно для схем с частичным разрядом емкости</3^^
чему соответствует и	Тогда, представляя второй

член из (3.28) в виде степенного ряда и ограничиваясь двумя

его членами, приближенно получим



(3.29)
Из этого соотношения следует, что уменьшитьв резистив-
ной схеме можно, только увеличивая Сугглб » так как величины

9 заданы, а увеличивать , как правило, нецелесообраз-
но, поскольку это приведет к уменьшению КПД процесса разряда
емкости и общего КПД модулятора.

Перейдем к вычислению КПД процесса разряда накопительной

емкости.

При вычислении КПД процесса разряда
ничиться его определением для процесса на

емкости можно' огра-
вершине, так как дли-

тельность



нта и спада существенно меньше длительности основ-

ной части импульса.

Тогда КПД процесса разряда будет представлять отношение
полезной мощности Р#и , потребляемой нагрузкой модулятора (ге-
нератором), к сумме мощностей: мощности ’ котоРр% расхо-
дует накопительная емкость при разряде, и мощности Р^^ 9 ко-
торую расходует источник питания во время разряда емкости (на
вершине импульса):

(3.30)

Определим составляющие, входящие в (3.30), предполагая, что



/г

нтсхт .



Подставляя эти значения мощностей в (3.30), принимая прибли-
женно	Юсупах и учитывая, что при работе лампы в близ-

ком к граничному режиму



8/7?

 X

после преобразований получим

* Яогр	'(3’31 *

Таким образом, для увеличения КПД разряда, как и следова-

ло ожидать, необходимо стремиться к выполнена

*огр**г >	.

к»

условий
Два первых условия обычно на .практике хорошо выполняют-
ся Шзар	в (20...100)/^ ), поэтому приближенно

/9&3 “	)	(3.32)

Обычно удается получить	0,1...0,2. Поэтому КПД

процесса разряда может достигать значений у0,8...0,9,
а общий КПД резистивного модулятора с частичным разрядом
емкости можно получить	0,7...0,75.

3.5.	Процесс формирования среза импульса

После того как коммутаторная лампы закроется, напряжение

на нагрузке не исчезает до тех пор, пока не закончится процесс
перезаряда емкостей С* и , обратный процессу на форнте.

Учитывая, что за короткое время среза напряжения на на-
грузке накопительная емкость неь успевает сколько-нибудь замета-
но изменить свой заряд, в основном уравнении (3.7), как и для

процесса на



нте, можно опустить два последних -слагаемых.

Кроме того, лампа теперь заперта и = О. Поэтому уравнение

(3.7) упростится и примет вид

(3.33)

Здесь через обозначено эквивалентное сопротивление, на ко-
торое разряжается емкость//#/ после запирания коммутатора.
Это параллельное соединение сопротивлений	#за/> '

Уравнению (3.33) соответствует эквивалентная схема, по-
казанная на рис. 3.13. Решать уравнение нужно при начальном
условии: для / = О =	•

Очевидно, что напряжение на срезе импульса уменьшается

па экспоненциальному закону



(3.34)

При	практически /^#57^ —» поэтому для вы-

числения длительности среза из (3.34) получим

откуда



(3.35)
В сопротивлении /^, определяющим является а величина
которого при проектировании модулятора задана. Величина емко-
сти 4<//7 > как Уже отмечалось, должна быть снижена при конст-
руировании модулятора до минимального уровня с целью умень-
шения длительности фронта. Поэтому оказывается, что в резистив-

ном импульсном модуляторе нет дополнительных возможностей
для уменьшения длительности среза при.расчете. Полученная по
(3.35) должна быть меньше допустимого значения #0/7
величина которого обычно составляет	Ту/ .

Рис. 3.14

, то резистивная схема

Если оказывается, что
модулятора использована быть не может. Для уменьшения ^с/о
необходимо либо усложнить схему, либо использовать другие схе-

мы.

Например, вместо зарядного резистора можно использовать
зарядный дроссель, т.е. переходить к резистивно-дроссельной
схеме импульсного модулятора, показанной на рис. 3.6,6. Экви-
валентная схема для процесса среза в таком модуляторе показа-
на на рис. 3.14.

К моменту выключения коммутатора в индуктивности ^^0
ток достигает величины	~

Этот ток после запирания коммутаторной лампы и будет началь-
ным разрядным током емкости ^///7 , что ускорит процесс среза
по сравнению со схемой резистивного модулятора (рис. 3.13).

В случае высокой добротности контура	-

№за/э = 8...10) процесс на срезе будет носить колебательный
характер, как показано на рис. 3.15. Время уменьшения напря-
жения на ^/у/7 до нуля от момента запирания коммутатора будет
несколько меньше четверти периода собственных колебаний кон-

7

^/^за/9

(3.36)
При этом для^г5<,> (8...1О)
последующий положительный
выброс напряжения на ем-
кости	может оказать-

ся одного порядка
что может привести к не-
желательной работе генера-
тора после запирания ком-
мутатора, к появлению до-
полнительного паразитного
импульса. Чтобы этого не
происходило, в схему до-
бавляют так называемый



Рис. 3.15

отсекающий диод, который шунтирует контурсразу пос-
ле смены знака напряжения на емкости и прекращает колебатель-

ный процесс, что показано на рис. 3.15 пунктиром.

Требования к индуктивности	определяются из условия,

чтобы ток в ней, практически линейно нарастающий за время основ-
ной части импульса, в момент запирания коммутатора был бы су-

щественно меньше тока генератора!

откуда для величины индуктивности получим условие

(3.37)

В рамках этого условия выбором Ь

в соответствии с

(3.36) можно управлять величиной длительности среза •
Отметим, что в резистивно-дроссельной схеме с процесс
заряда емкости	> процессы на фронте и на вершине импуль-

са при выполнении условия (3.37) практически не будут отли-
чаться от аналогичных процессов в резистивной схеме.

Резистивно-дроссельную схему импульсного модулятора с от-
секающим диодом следует использовать при модуляции генерато-
ров с нелинейной вольт-амперной характеристикой, например маг-
нетрона, клистрона, ЛБВ. В таких генераторах после снижения
напряжения ниже критического /т&дус? генератор прекращает работу,
а его сопротивление резко возрастает, что в простом резистив-
ном модуляторе может привести к существенному возрастанию дли-
тельности среза.
3.6. Коммутаторы модуляторов с частичным разрядом
накопительной емкости

В импульсных модуляторах с частичным разрядом накопитель-
ной емкости применяются либо специальные электронные лампы
(чаще всего модуляторные тетроды), либо высоковольтные бипо-
лярные транзисторы. Основные требования, предъявляемые к ком-
мутаторам, следующие: 1) возможность пропускания токов в те-
чение короткого времени при малом падении напряжения на нем;

2) возможность практически полного запирания на время длитель-
ных пауз между импульсами при наличии значительных напряже-
ний на аноде.

Из первого требования вытекает, что коммутаторы должны
обладать достаточно высокой крутизной линии спада 4^^,что
обеспечивает получение высокого КПД процесса разряда емкости.

В ламповых коммутаторах крутизна линии спада может до-

стигать значений (10...20) мА/В, что позволяет получить удов-
летворительные КПД разряда при сопротивлении генератора /?г =
= 300...1000 Ом.

В транзисторных коммутаторах &

2 А /В, что позво-

ляет снизить сопротивление , при котором можно получить
удовлетворительные КПД разряда, до значений 30...100 Ом.

Недостатком ламповых коммутаторов, кроме отмеченного
выше, является требование подачи сравнительно большого отри-
цательного напряжения на управляющую сетку, необходимого для

хорошего запирания коммутатора, и требование подачи управляю-
щих импульсов большой мощности для уверенного отпирания ком-

мутатора.

Достоинством ламповых коммутаторов является возможность
работы с высокими напряжениями, что необходимо в случае мо-
дуляции мощных генераторов (ЛБВ, магнетроны, многорезонатор-
ные клистроны). Для уменьшения сопротивления открытого комму-
татора может использоваться параллельное соединение ламп.

Недостатками транзисторных коммутаторов является низкое
допустимое напряжение (единицы киловольт), которое выдержи-
вают транзисторы в закрытом состоянии, и инерционность процес-
са отпирания, что растягивает фронт реального импульса и огра-
ничивает минимальные длительности импульсов, при которых мож-
но использовать также коммутаторы.

Достоинство транзисторных коммутаторов - в малом их со-
противлении в открытом состоянии, а следовательно, в возможно-
сти получения высоких КПД разряда при работе модулятора на
низкоомную нагрузку.
Для увеличения рабочих напряжений схемы при использова-
нии транзисторных коммутаторов, помимо применения повышаю-
щих трансформаторов, может использоваться последовательное
включение нескольких транзисторов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.	Приведите пример структурной схемы импульсного радио-
передатчика СВЧ на магнетроне.

2.	Поясните кратко устройство и принцип работы магнетрона.
Перечислите основные достоинства и недостатки магнетронов.

3.	Что такое рабочая характеристика магнетрона? Поясните
ход кривых выходной мощности, частоты и КПД при изменении
режима работы магнетрона? Как по рабочей характеристике опре-
делить параметры рабочего режима магнетрона?

4.	Что такое нагрузочная характеристика магнетрона? Как,
пользуясь этой характеристикой, определить выходную мощность
и частоту генерируемых колебаний магнетрона! при известных па-
раметрах нагрузки? Что такое величина затягивания частоты маг-
нетрона.; и как она определяется по нагрузочной характеристике?

5.	-Как изменяется выходная мощность и частота колебаний

магнетрона при изменении нагрузки, которой является входная
проводимость несогласованного фидера?

6.	В чём проявляются особенности работы магнетрона на
несогласованный фидер длиной, значительно превышающей длину
волны в фидере? Приведите графики, иллюстрирующие изменение
выходной мощности и частоты колебаний магнетрона при измене-

нии длины фидера. Что такое

"э

ект длинной лиЛи

1Г

и каковы

ч Л



возможные технические меры по его устранению в радиоле ре да то-
нике?

7.	Причины нестабильности частоты колебаний магнетрона.
Перечислите основные условия, необходимые для получения высо-
кой стабильности частоты автогенератора. Поясните, как они вы-

полняются при проектировании магнетронного автогенератора.

8.	В чем состоит метод стабилизации частоты магнетрона
с помощью резонатора СВЧ? Приведите функциональную схему
магнетронного автогенератора со стабилизирующим резонатором
и поясните основные элементы этой схемы.

9.	В чем достоинства использования накопителей энергии в
импульсных модуляторах? Какие элементы можно использовать
в качестве таких накопителей?

1О.	Нарисуйте схемы резистивного и резистивно-дроссельно-
го импульсного модулятора с частичным разрядом емкости. Объ-
ясните назначение всех элементов схемы.
11.	Перечислите основные достоинства и недостатки импульс-
ных модуляторов с частичным разрядом емкости.

12.	Нарисуйте эквивалентные схемы для анализа процессов
формирования фронта, вершины и среза импульса в резистивном
импульсном модуляторе с частичным разрядом емкости. Дайте
обоснования для элементов каждой из этих схем.

13.	Как определить КПД процесса заряда накопительной ем-
кости по осциллограмме напряжения на ней? Каким образом мож-
но повысить этот КПД?

14.	Какие факторы влияют на КПД процесса заряда и процес-
са разряда емкости в импульсном модуляторе?

15,	Как можно повысить общий КПД модулятора с частичным
разрядом емкости?

16.	Какие факторы определяют длительность фронта импуль-
са в нагрузке импульсного модулятора? Какими мерами можно
уменьшить эту длительность?

17.	Какие факторы определяют величину относительной нерав-
номерности напряжения на вершине импульса? Как можно умень-
шить эту неравномерность?

18.	Какие факторы определяют длительность среза импульса?
Как ее можно уменьшить?

19.	Перечислите основные требования к коммутаторным при-
борам, используемым в импульсных модуляторах с частичным раз-
рядом емкости

ЛИТЕРАТУРА

1.	Нейман М.С. Курс радиопередающих устройств. — М.:
Сов. радио, 1965.

2.	Радиопередающие устройства/Под ред. М.В. Благовещен-
ского, Г.М. Уткина. - М.: Радио и связь, 1982.

3.	Дробов С.А., Бычков С.И. Радиопередающие устройст-
ва. - М.: Сов. радио, 1969.

4.	Приборы электронные и устройства защитные СВЧ. Тер-
мины, определения и буквенные обозначения. ГОСТ 23769-79.
- М.; 1982.

5.	Радиосвязь. Термины и определения. ГОСТ 24375-80. -
М., .1982.
ОГЛАВЛЕНИЕ

1.	Введение......................................... 3

2.	Магнетронный генератор........................... 5

2.1.	Общие сведения.............................. 5

2.2.	Рабочая характеристика.....................  9

2.3.	Нагрузочная характеристика................. 13

2.4.	Особенности работы магнетрона на несогла-
сованную линию передачи большой длины.............. 19

2.5.	Стабилизация частоты магнетрона с помо-
щью высокодобротного резонатора СВЧ................ 23

3.	Импульсные модуляторы с частичным разрядом
накопительной емкости.............................. 29

3.1.	Основные методы осуществления импульсной
работы передатчиков................................ 29

3.2.	Основные схемы модуляторов с частичным
разрядом емкости...............'................... 33

3.3.	Процесс формирования фронта импульса ...	38

3.4.	Процесс формирования вершины импульса . .	41

3.5.	Процесс формирования среза импульса . . .	45

3.6.	Коммутаторы модуляторов с частичным
разрядом накопительной емкости..................... 48

Контрольные вопросы . . . . ....................... 49

Литература.........................................  50