Магнетронное устройство Советский патент 1936 года по МПК H01J25/54 

Настоящее изобретение касается устройства для возбуждения, приема, усиления и умножения высокочастотных колебаний путем применения магнетрона, в котором управление электронным потоком осуществляется посредством симметричного кругового магнитного поля.

Известно применение для возбуждения и приема высокочастотных колебаний магнетронов, магнитное поле в которых создается посредством постоянного тока. Точно так же известно применение для усиления относительно низкочастотных колебаний, магнетронов, магнитное поле которых создается посредством усиливаемого переменного тока (магнетрон Холла). В обоих случаях силовые линии проходят через разрядный участок прямолинейно и параллельно оси анодной системы и соответственно нити накала.

Далее известно, что в электронных лампах с сеткой посредством магнитного поля, создаваемого током, протекающим по нити накала и кольцеобразно окружающего эту нить, можно воздействовать на электронный поток между анодом и катодом.

Посредством этого кругового симметричного магнитного поля (по отнощению к катоду) можно изменять величину электронного потока (число переносимых электронов). Такой вид возбуждения колебаний (герм. пат. № 490286) с физической точки зрения представляет собой одну из разновидностей нормального возбуждения с помощью обратной связи. В этом случае магнитное поле не несет никаких управляющих функций, так как оно постоянно. Соответствующим выбором величины кругового (по отнощению к катоду) магнитного поля создается такое искривление пути электронов вблизи управляющего электрода, которое существенньш образом изменяет эффективные значения параметров лампы S и D. Высокочастотное управление электронами осуществляется, как обычно, при помощи электростатически действующих электродов. При этом весьма важно, чтобы катод был расположен либо внутри, либо около колебательного

контура. Магнетронное устройство для возбуждения, приема, усиления и умножения в особенности очень высоких частот, представляющее сущность настоящего изобретения, отличается тем, что для получения воздействия на электронный поток (на путь электронов) используется круговое симметричное магнитное поле, возбуждаемое посредством линейного, нормально не накаливаемого токонесущего проводника, располагаемого внутри поверхности анода (симметрично). .

Раньще, чем описывать сущность изобретения, следует кратко указать на конструкцию применяющихся ламп. В особенности пригодными являются возможно более симметричные лампы, по крайней мере, с двумя анодами, образующими приближенно замкнутую симметричную поверхность вращения. Токонесущий проводник, служащий для получения кругового симметричного магнитного поля, образует ось вращения анодов. Точно или приближенно в электрической и геометрической точке (точках) симметрии системы, образованной из анодов и токонесущего провода, располагаются в непосредственной близости от проводника точечные или кольцеобразные источники электронной эмиссии.

Преимущество устройства, представляющего сущность настоящего изобретении, заключается прежде всего в том, что в нем не применяется внешний магнит. Необходимые обычно усложняющие и тяжелые магнитные системы и больщой расход энергии на них устраняются здесь нацело. Из заменяет круговое симметричное магнитное поле, создаваемое током. На создание этого поля расходуется либо незначительная энергия, либо даже расход ее вовсе отсутствует, что имеет место, например, при управлении током высокой частоты в схеме с самовозбуждением.

Аноды (анодные сегменты) образуют в первом приближении симметричную .поверхность вращения. Таким путем разрядный участок оказывается освобожденным от воздейст ия случайных внешних полей, могущих исказить ход процесса. Замкнутой формой анода достигается также и то, что сопротивление излучения системы электродов снижается до минимума (эффективная высота антенны приблизительно соответствует щирине зазора). При коротких волнах большая часть генерируемой энергии теряется этим паразитным излучением. Эта энергия, однако, может быть снята с генератора в качестве полезной для других целей.

Для генерирования высокочастотных колебаний электроны уже не подвергаются воздействию на пути от катоде к аноду, как это было раньще, когдач в одном и том же. разрядном участке взаимодействовали высокочастотное элетрическое управляющее поле и статическое электрическое ускоряющее поле. Электронный поток управляется теперь высокочастотным полем сперва-у одного анода (или группы анодов) и затем у другого анода (или группы анодов). Возврат электронов на катод и вызываемое этим возвратом обратное- зажигание устраняются в данном случае нацело. Это получается вследствие того, что электроны при возвращении обладают достаточным запасом кинетической энергии. Так как время пробега электрона ультракороткой волне равно времени длительности одного колебания, то электрон проходит статически равнозначные участки пути при условиях, изменяющихся во времени неравномерно. Этот пункт весьма существенен, так как он открывает дорогу оксидным катодам, отличающимся высокой эмиссионной способностью и не обладающим явно выраженным насыщением. Эти катоды в отнощении однородности своей поверхности являются чрезвычайно ценными источниками электронов.

Практически во всех ультракоротковолновых ламповых генераторах предельная нагрузка определяется не анодом, а катодом.

Размеры катода растут вместе с суммарной эмиссией. Это обстоятельство является чрезвычайно неприятным для ультракоротковолновых ламп, так как вместе с катодом растет и масса остальных электродов, вследствие чего лампа становится непригодной для генерирования ультракоротковолновых колебаний, ибо контур, образуемый при этом электродами и связующими проводинками, приобретает слишком низкую собственную частоту. В связи с этим было предложено для коротковолновых ламп, в особенности магнетронов, в качестве источника электронов применять вакуумный искровой промежуток, дуговой или какой-либо другой газовый проме: уток с самостоятельным разрядом. Это предложение давало новых возможностей для применения даже извест;ных ранее схем с целью генерирования самых коротких волн. - Принцип действия устройства, составляющего предмет настоящего изобретения, поясняется фиг. I-14 прилагаемого чертежа.

На фиг. 1 показана принципиальная схема магнетронного осциллятора, выполненного в соответствии с настоящим изобретением с независимым магнитным возбуждением, т. е. таким образом, что управление электронами в лампе происходит за счет кругового симметричного, высокочастотного магнитного поля,возбуждаемого высокочастотным током, протекающим по каналу S. В разбираемом случае управляющий высокочастотный ток возбуждается посредством второго, произвольно выполненного, задающего осциллятора 2- Колебательный контур задающего генератора R и управляющий контур, образованный каналом (проводником) 5 и емкостью С лампы, связываются соответствующей связью, например, фидерной линией К. Усиленная высокочастотная энергия соответствующим образом может быть снята с контура, образованного самоиндукцией Ь„ и емкостью андов AI н j.

Выполненный в соответствии с настоящим изобретением магнетронный осциллятор с независимым магнитным возбуждением представляет собой ультракоротковолновый передатчик, отличающийся ничтожным обратным воздействием. При независимом возбуждении напряжением, вследствие паразитных связей, никогда не удается устранить воздействия мощного каскада на задающий. Практически бывает весьма затруднительным (при малых габаритах электродной системы) найти нейтральные симметричные поверхности или точки системы. Трудность усиления ультракоротких волн заключается прежде всего

в том, что управляющие переменные напряжения создают через ламповые емкости ток в выходном контуре, а усиленные переменные напряжения создают ток во входном контуре. Эти паразитные наведенные токи даже превосходят токи, создаваемые за счет электронной эмиссии.

Вот тут-то и оказывается чрезвычайно полезным магнитное управление, устраняющее легко эти недостатки. Так как электроны движутся перпендикулярно к высокочастотному магнитному полю, расхода полезной MomnoctH на них не существует, т. е. не существует и обратного воздействия на управляющую токовую цепь. Колебательный процесс в основном контуре i, /.„, А определяется только переменным током, протекающим в управляющем контуре 5, Cst. В этом и подобных ycтJpoйcтвax высокочастотное напряжение между анодами AI и 2 не оказывает никакого влияния на путь электронов W. Wi и W представляют собой пути двух электронов, движущихся под воздействием переменного магнитного поля Afi и соответственно /Из (во время двух различных полупериодов). Полезный колебательный ток мощного генератора RI протекает через Ь„ и не воздействует на управление электронами. Фазовый сдвиг между током через S и переменным напряжением между А и А, безразличен, так как колебательные контуры полностью изолированы друг от друга. Таким образом, подобное управление, с известными поправками на неизбежные потери, не сопровождается расходом мощности.

На фиг. 1 был представлен случай, в котором управляемый током магнетрон работал как усилитель, случай, когда частоты управляющего тока и колебательного тока в выходном контуре были равны друг другу.

ФИГ. 2 - 5 дают принципиальные схемы магнетронных осцилляторов, подобных показанному на фиг. 1, но работающих с умножением частоты;, именно, в этих схемах частота, снимаемая с выходного контура, больше частоты, подведенной к управляющему контуру 5, Cst. Умножение частоты достигается тем, что симметричные nosepXHOCtit вращения (анодные) разделены на некоторое число кольцеобразных частей Л, АИ, АЗ, связанных между собой через индуктивности, находящиеся в определенной связи с возбужденной частотой. . Связь этих анодных частей с анодным источником напряжения осуще ствляется таким образом, чтобы более высокочастотные колебания, возбужденные за отдельные промежутки времени основного периода (колебания унравляющей частоты), складывались друг с другом в потребляющем контуре или при непосредственном излучении складывались их поля.

В магнетронах, предназначенных для умножения частоты, нормально предусматривается один источник эмиссии электронов, лежащих в геометрическом центре системы из токонесущего проводника (канала) и анодных частей Wf представляет собой симметричную поверхность вращения расходящихся траекторий электронов (электронный веер) fi W/Tz, Этот электронный веер управляется высокочастотным током в 5 и простирается до отдельных анодных частей AI, AJ, АЗ.

Время пребывания этого электронного веера Wf на каждой из анодных частей должно быть одинаковым. Ширина кольцеобразных анодных частей должна быть выбрана с учетом мгновенной угловой скорости электронного веера. Коэфициент трансформации частоты соответствует числу разрезов анода.

На фиг. 6 показана принципиальная схема самовозбужденного магнетронного осциллятора, управляемого посредством кругового симметричного высокочастотного .магнитного поля. Колебательный контур осциллятора образуется из анодов AI и А и из индуктивности токонесущего проводника (каЕ1ала) S. Колебательный ток управляет электронным потоком, идущим от излучающего его источника к анодам AI и Aj. Действующее магнитное поле колебательного тока располагается симметрично (по окружности) в отнощении S. Источник, создающий электроны Е, располагается в нейтральной точке всей симметричной системы, расположенной вокруг S. Фазовый сдвиг между управляемым электронным током и неременным анодным напряжением, необходимым для получения самовозбуждения, создается за счет величин, воздействующих на время пробега электронов. Так как ток и напряжение в общем случае сдвинуты друг относительно друга на 90, слег дует применить фазовращатель. Наиболее простой способ подгонки фазы заключается в подборе такого постоянного анодного напряжения, при котором при частоте, задаваемой колебательным контуром, время пробега электронов само установило бы требуемый фазовый сдвиг.

Подвод тока накаливания осуществляется двойным скрученным проводником, проходящим в плоскости разреза анода.

Анодное напряжение может быть подведено к соответствующим точкам удлинения токонесущего провода 5(канала).

В случае самовозбужденного магнетрона, управляемого высокочастотным током, большая емкость колебательного контура, образуемая например охлаждающими аноды устройствами, даже желательна, так как отнощение в виду

необходимости, получения больщого тока, должно поддерживаться малым. Отвод возбужденных высокочастотных колебаний осуществляется предпочтительно посредством емкостной связи, осуществляемой при помощи пластин Р, располагаемых внутри или снаружи разрядной трубки.

На фиг. 7 также показан самовозбужденный магнетронный осциллятор, управляемый вьгсокочастотным током. Внутри токонесущего проводника (канала) 5 на изоляторах О расположен проводник , применяющийся для модуляции возбужденных высокочастотных колебаний.

Применение кругового симметричного магнитного поля для воздействия на электронный поток не ограничивается случаем управления высокочастотным током. Оно может быть равным образом с успехои использовано в магнетронных осцилляторах, управляемых высокочастотным напряжением.

В случае, если желательно применить двухтактную схему, анод магнетрона,

управляемого высокочастотным напряжением и работающего в режиме самовозбуждения, должен быть разрезан по крайней мере на три части (фиг. 8). Колебательный контур включается между А и А соответственно требуемым анодаым группам. Фазовый сдвиг в этом случае не является необходимым, так как самые высокочастотные переменные напряжения управляют электронным по5оком. Расчетом установлено, что при магнитном поле, возбуждаемом постоянным током, электроны следуют лишь по одному направлению. На фиг. 8 направление тока показано стрелками. Траектория электронов может быть от i направлена только влево (А), если А отрицательно, и от Е вправо, если А отрицательно. При показанном направлении намагничивающего тока электроны влево лететь не могут.

Путем соответствующих изменений магнетрон, управляемый высокочастотным напряжением и использующий круговое симметричное магнитное поле, может быть приспособлен для высокочастотного независимого возбуждения.

На фиг. 9 показана схема магнетрона с независимым возбуждением, управляемым высокочастотным напряжением, вы полненного в соответствии с настоящим изобретением. Между двумя включенными противотактно частями А и А анода включен колебательный контур; между ними расположена система анода А , используемая для независимого возбуждения.

В тех случаях, когда имеет место круговое симметричное магнитное поле, т. е. в особенности в случае управляемых, напряжением магнетронных осцилляторов, электроны имеют известную девиацию даже при отсутствии управляющего напряжения. Для того, чтобы при отсутствии управляющего напряжения электроны летели непосредственно в направлении разреза анода, источники эмиссии должны быть распределены в направлении токонесущего проводника (канала) с учетом необходимого корректирующего фактора. В том случае, если для целей магнитно|1 модуляции осциллятор снабжается проводником L, коаксиальным токонесущему проводнику (каналу), в осцилляторе должна быть

соблюдена некоторая несимметричность. Если источники эмиссии будут расположены в плоскости разрезов анода, если все части анода будут находиться под одинаковыми напряжениями (постоянными), то в выходном высокочастотном контуре может появиться удвоенная модулирующая частота вследствие того, что максимум высокой частоты соответствует нулевому значению модулирующего тока. Это же последнее имеет место дважды за период.

Электрическая несимметричность может быть достигнута путем-применения неодинаковых высоких напряжений на частях анода магнетрона. Магнитная несимметричность может быть достигнута путем применения вспомогательного магнитного поля соответствующего направления и величины.

Высокая частота снимается с помощью колебательного контура, гальванически связанного с колебательным контуром магнетрона. Способы связи с колебательным контуром ни в коей мере не ограничиваются изображенными на прилагаемых фигурах и могут применяться любые. Особенно целесообразными представляются способы, показанные на фиг. 10 и 12, и их комбинации.

На фиг. 12 изображен самовозбужденный, управляемый высокочастотным током, магнетрон, в котором в качестве источника эмиссии электронов применен искровой или дуговой разрядный промежуток. Высокочастотный контур образуется из частей Л и А анода и токонесущего проводника 5. Токонесущий проводник по концам своих удлинений V, например, снаружи колбы, снабжен металлическими наконечниками, служащими для увеличения емкости, необходимой с целью подгонки сопротивления излучения диполя, образуемого удлинениями, к кажущемуся сопротивлению осциллятора. Внутри токонесущего проводника на изоляторах О укреплены оба разрядных электрода F.

Питание разрядного промежутка осуществляется посредством проводника L, связанного с соответствующими точками токй несущего проводника (узлами напряжения), и через сопротивление, присоединенное к источнику тока. Электрическая средняя точка источника эмиссии

искусственно образуется вне осциллятора. Модуляция осциллятора применена магнитная; для этой цели токонесущий провод должен питаться как высокой частотой, так и частотой модуляции. Анодное напряжение подводится к средней точке модуляционного трансформатора (его вторичной обмотке) и через проводники Z подается на части Лд и AZ анода.

Токонесущий проводник, который в этом случае замыкает разрядный промежуток, снабжен отверстиями Т, необходимыми для выхода электронов. Для концентрации электронного веера служат изолированные от токонесущего проводника вспомогательные электроды Н, находящиеся под произвольным требуемым потенциалом,

На фиг. 13 и 14 изображены примерные варианты выполнения приемных схем с магнетронами согласно изобретению.

В качестве приемного диполя на фиг. 13 используется удлиненный токонесущий провод. Для усиления направленного действия все устройство может быть снабжено рефлектором. Е- источник электронов, AI, А и Лд представляют собой части анода. Устройство выполнено таким образом, что в моменты отсутствия сигнала суммарный электронный поток направлен на среднюю часть анода Лд. Электронный веер Wf должен быть поэтому таким, чтобы он имел в точке соприкосновения с средней частью анода щирину, равную ширине кольцеобразного сегмента Лд.

Для целей демодуляции высокая частота должна воздействовать на электроный поток при помощи токонесущего провода магнитно (ф,иг- 13) или при помощи вспомогательных электродов Н электрически таким образом.

чтобы этот поток отклонялся влево и вправо синхронно высокой частоте или также ||асширялся. Величина отклонения зависит от амплитуды высокой частоты. Импульсы постоянного тока /j и /з в общем проводе, идущем к источнику анодного напряжения, складываются в суммарный импульс J. Частота модуляции может быть снята в точке Х (двухполупериодное выпрямление).

Чувствительность подобного приемного устройства может бить повыщена: 1) связью анодных частей Л, А с высокочастотным колебательным контуром через импеданц, точно или приближенно настроенный на принимаемую частоту (гетеродинный прием), 2) регенерацией приемной системы, например, доведением системы до состояния, близкого к самовозбуждению (соответствующим выбором анодного напряжения), 3) возбуждением и тушением системы с частотой некоей вспомогательной э. д. с. (суперрегенерацией).

Следует заметить, что описанные виды демодуляции не обязательно требуют наличия кругового симметричного магнитного поля; в данном случае они могут быть применены и без него

Предмет изобретения.

Магнетронное устройство для возбуждения, приема и умножения, в особенности, коротковолновых колебаний, отличающееся тем, что лампа, имеющая, по крайней мере, два разделенных друг от друга разрезом анода, снабжена прямолинейным перпендикулярно к поверхности разреза укрепленным, нормально не накаливаемым проводником 5, через который проходит ток, служащий для возбуждения кругового симметричного магнитного поля.

к патенту ин-ной фирмы «Телефункен, о-во беспроволочной телеграфии с огр. отв/ № 50178

j

/РТШТбТХ

к патенту ин-ной фирмы Телефункен, о-во беспроволочной телеграфпн с огр. отв. № 50178

77ШГШ

L

Е патенту ин-ной фирмы Телефункен, о-во «беспроволочной телеграфии с огр. отв/ № 50173

фиг.12 ,1

- тгиь

Уч TJ

IF

/ 1

4