Основными недостатками многорезонансных магнетронов являются: низкая стабильность генерируемой частоты и ограниченность перестройки той же частоты.
Под перестройкой частоты понимают как предварительную подстройку, так и в процессе работы. Если время предварительной не особо имеет значения, то в процессе работы может ограничиться долей секунды! А, как всё это осуществить? Вот на рис.1 и рис.2 показано упрощённо предварительное изменение частоты генерации.
1) Изменением индуктивности, с применением колец и коронок.
2) Изменением ёмкости, с применением колец и коронок, аналогично изменением индуктивности. Принцип простой как пять копеек!
Рис.1левая половина. Кольцо (металл) путём изменения расстояния между кольцом и круглым отверстием резонатора изменяется индуктивность. В свою очередь изменяется и частота генерации. В частности сближение повышает частоту.
На рис.2 левая половина. Также кольцом, но уже влиянием на щель резонатора (ёмкость) она обозначена зелёным цветом, ёмкостной составляющей. Иногда применяют оба способа одновременно.
Та же механика и в применении коронок. На рис.1 правая половина изменение индуктивности резонатора путём введение в отверстие резонатора металлического стержня. Причём во все резонаторы одновременно.
На рис.2 правая половина. Здесь вводятся металлические кольца (стержни, полоски) в пространство между связками. Тем самым меняя ёмкость всей системы! Всё это хорошо, да не очень... Ведь всё это нужно делать чисто механически извне... А внутри ведь вакуум!!! Значит с применением СИЛЬФОНОВ! Сильфон, от английского sylphon — металлическая тонкостенная трубка или камера с гофрированной боковой поверхностью, способная расширяться и сжиматься при изменения давления наполняющего её газа или жидкости. В нашем случае вакуумом! Также как и барометрах-анероидах. Конечно, как на самом деле устроено я не знаю?.. А, как же быстро менять, да и ещё и точно, вопрос конечно интересный! С учётом того, что там (в пространстве взаимодействия) вакуум и высокая температура?!
Теперь поговорим о стабильности частоты магнетронов. Что так беспокоит магнетроны? Это (кроме традиционных моментов стабилизации) ЭСЧ и затягивание частоты. ЭСЧ, — электронное смещение частоты. При изменение тока анода частота «уходит» в сторону, изменяется. Затягивание, это изменение частоты генерации от изменения нагрузки. Конечно все процессы гораздо сложнее моих объяснений, но? Но нам только важно знать, что существует проблема стабильности...
Одним из способов борьбы с нестабильности применение высокодобротных внешних резонаторов... Так, слово за слово был придуман КОАКСИАЛЬНЫЙ магнетрон. Коаксиальный, от латинского co, «совместно» + axis, «ось» — соосный. Наиболее близкий к Вам это телевизионный кабель. Ещё его по науке называют коаксиальный. Внутренний проводник окружен изоляцией (как и все изолированные провода). Поверх изоляции оплётка так сказать второй проводник. Поверх всего слой защитной изоляция. Вот такой бутерброд получается. А теперь о магнетронных бутербродах, у меня (в мини-лекции) их два рис.3 и второй рис.4. Продольные (в верху)разрезы и поперечные, в низу. В чём же их коаксиальность?
На рис.3 КМ, — КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНЕТРОН. Это магнетрон помещённый во внутрь цилиндрического резонатора. Отличие такого магнетрона от обычного в том, что замедляющая система, ЗС разделена на секции. Так как ЗС лопаточного типа, то секция состоит из двух лопаток, а пространство между ними связь с резонатором. Весь процесс генерации происходит в пространстве взаимодействия магнетрона, а стабилизация в резонаторе нашего коаксиала! СВЧ энергия выделяется через волновод в нагрузку. В продольном разрезе виден бесконтактный поршень с поглотителями пурпурного цвета. Поглотитель для ненужных видов колебаний. Поршнем регулируется высота цилиндра резонатора в соответствие с половиной длины волны в волноводе рис.4а. Устройство КМ где:
1. Бесконтактный поршень
2. Выходное, согласующее устройство
3. Резонатор
4. Замедляющая система магнетрона ЗС
5. Щель (щели) связи магнетрона с резонатором
6. Катод магнетрона
7. Поглотитель ненужных видов колебаний
На рис.4 Вы видите чертёж ОКМ, — ОБРАЩЁННЫЙ КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНЕТРОН. В отличие от КМ на рис.3 здесь всё наоборот! Стабилизирующий резонатор находится внутри ЗС. А, сама ЗС вывернута наизнанку, лопатками наружу. Как бы цилиндр окружающий ЗС это катод. СВЧ энергия же попадает в резонатор через окна связи и пространства между секциями лопаточной ЗС. Аналогично частота резонанса регулируется бесконтактным поршнем как и в предыдущем случае. Ещё один нюанс, цилиндрический резонатор является продолжением волноводной линии. А, как же вакуум? Всё есть. СВЧ энергия передаётся через вакуумное окно с диафрагмой связи (внизу голубого цвета). Аналогичное окно существует и в КМ, на боковой стенке резонатора. Рассмотрим более подробно устройство ОКМ. Итак на рис4:
1. Катод
2. Замедляющая система лопаточного типа.
3. Бесконтактный поршень
4. Вывод катода
5. Окно связи
6. Резонатор
7. Вакуумное, диафрагменное окно
8. Волновод
Вернёмся к проблеме перестройки частоты генерации магнетронов. Да всякие механические способы удовлетворительны лишь при предварительной подстройке частоты. Какие бы не были механизмы для работы они слишком медлительны. Плюс наличие вакуума, высокие температуры... Наиболее перспективный ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД перестройки частоты. Пьезоэлектрический датчик располагается непосредственно внутри вакуумной части магнетрона. Датчик представляет собой неправильный бутерброд из двух слоёв пьезокерамики. Почему неправильный? Потому как при подключении к бутерброду напряжения один слой сжимается, а второй расширяется! При этом бутерброд изгибается в одну сторону. При смене полярности, в другую. Вспомните биметаллические пластины в утюгах и термометрах?! Управление элементами изменяющими частоту становится очень быстрым и легко управляемым.
Наличие в работе магнетрона такого явления как ЭСЧ, — электронного смещения частоты, подсказало возможность изменение частоты с помощью изменения анодного напряжения! Но в силу ряда ограничений это изменение частоты не может превышать более 0,1-0,3%! Преодолеть ограничения с более высоким процентом изменения частоты позволяют МНН! МНН, — МАГНЕТРОНЫ НАСТРАИВАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЕМ. Чаще (и в литературе тоже) такие магнетроны называют МИТРОНЫ.
Итак, МИТРОНЫ... Это тоже магнетрон, но не совсем такой с каким мы с Вами познакомились в предыдущих мини-лекциях. Вот на рис.6 и рис.7 он и есть (чертежи). На рис.6 как бы раскиданный частями, а на рис.7 более приземлённый и в сборе. Но прежде чем рассматривать это нагромождение рассмотрим замедляющую систему митрона. Если в других магнетронах в основном напирают на многорезонаторую систему и лопаточную, то в митроне это встречно-штыревая в развороте на рис.5. Такая ЗС более широкополосная. Так как она как обычно свёрнута в кольцо, то вот она и есть на рис.8. Правда для Вашего обзора от неё отчикали кусочек. Я украсил всё это в разные цвета во избежании путаницы! Внутри располагается ЛОЖНЫЙ КАТОД. Ложный, потому как он вообще-то холодный (ну, почти). Да на него подаётся отрицательный потенциал и на этом всё!
Теперь настал час рассматривания митрона на рис.6. Итак:
1. Так называемая электронная пушка
2. Пространство взаимодействия
3. Управляющий электрод
4. Замедляющая система. Синим цветом, нижняя (по рис.8), красным, верхняя
5. Выходной резонатор
6. Выход СВЧ
7. «Ложный» (холодный) катод
8. Трубчатый электронный поток
Почти такое же устройство митрона на рис.7 где:
1. Спираль накала (электронная пушка)
2. «Ложный» (холодный) катод и второй проводник питания спирали
3. Управляющий электрод
4. Части замедляющей системы ЗС
5. Серым цветом керамические кольца (изоляторы)
6. Выступающие основания (контакты) частей ЗС
7. Резонатор
Нам лишь остаётся подать все напряжения и управляемым, стабильным напряжением управлять перестройкой частоты. По шпионским данным частоту можно менять в зависимости от конструкции на 15% и до 2 раз, и даже более. К сожалению чем шире полоса перестройки тем мощность становится меньше, равно как и к. п. д.