Магнетроны. Глава пятая. Многорезонаторные магнетроны Основы расчета и конструирования магнетронов

В магнитном поле, направленном по его оси; в электронной технике - генераторный электровакуумный прибор СВЧ, в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.

Термин «М.» был введён американским физиком А. Халлом (A. Hull), который в 1921 впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы М. в статическом режиме и предложил ряд конструкций М. Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн (на волнах λ ≥ 29 см ) посредством М. открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек. В 20-е годы влияние магнитного поля на генерирование колебаний СВЧ исследовали физики: Е. Хабан (1924, Германия), А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг (1926-1929, СССР), К. Окабе и Х. Яги (1928-1929, Япония), И. Ранци (1929, Италия). В 30-е годы исследования М. как генератора СВЧ велись во многих странах. Основная задача этого периода - увеличение выходной мощности генерируемых колебаний - была решена в 1936-1937 советскими инженерами Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым под руководством М. А. Бонч-Бруевич а. Они увеличили мощность М. на 2 порядка (до 300 вт на волне 9 см ), применив в качестве анода массивный медный блок, содержащий ряд резонаторов. М. такой конструкции называют многорезонаторным. Эта конструкция М. оказалась настолько совершенной, что в последующие годы во всём мире разрабатывались и выпускались только многорезонаторные М. В М. применяют катод, имеющий форму полого цилиндра, внутри которого располагается подогреватель. Катод такой формы впервые был предложен для радиоламп советским академиком А. А. Чернышевым в 1918. В 30-е годы многие инженеры предлагали для М. катоды в форме полого цилиндра, например американский инженер К. Хенсел в 1933 (для М., у которого катод окружает анод), американские инженеры Л. Молтер, Дж. Райхман, Р. Гудрич в 1936 (для использования вторичной эмиссии катода в М.), советский инженер В. П. Илясов в 1939 (для многорезонаторного М.).

В 40-70-е годы в многорезонаторный М. инженерами многих стран (СССР, Великобритании, США, Японии и других) был внесён ряд улучшений, были разработаны более тысячи типов многорезонаторных М., в основном для радиолокации (См. Радиолокация). С конца 60-х годов резко увеличился выпуск М. непрерывного генерирования колебаний на волне Магнетрон 12 см для нагрева полями СВЧ в печах бытового назначения (мощностью 0,5-3 квт ) и промышленных установках (мощностью 5-100 квт ). В 1950-1970-е годы на основе многорезонаторного М. был создан ряд приборов для генерации и усиления колебаний СВЧ (см. Магнетронного типа приборы).

Распространение М. вызвано высоким кпд (до 80%), компактностью конструкции и стабильностью работы при сравнительно невысоких анодных напряжениях. В начале 70-х годов промышленно развитыми странами выпускаются М. для работы на различных частотах от 0,5 до 100 Ггц, с мощностями от нескольких вт до десятков квт в непрерывном режиме генерирования колебаний и от 10 вт до 5 Мвт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков мксек. М. выпускаются как неперестраиваемые (фиксированная частота), так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10%). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в сек ) - ротационные и вибрационные механизмы.

В простейшей конструкции многорезонаторного М. (рис. 1 ) анодный блок представляет собой массивный медный цилиндр с центральным круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40), выполняющими роль объёмных резонаторов (См. Объёмный резонатор). Каждый резонатор соединяется щелью с центральным отверстием, в котором расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему (См. Колебательные системы). Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн (См. Стоячие волны) от 1 до N/2 (N - число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при котором число полуволн равно числу резонаторов (так называемый π-вид колебаний). Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π. Для стабильной работы М. (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10%). Так как в М. с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной (рис. 2 , а), её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока (рис. 2 , б), либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные - другой) (рис. 2 , в).

В многорезонаторном М. на электроны, движущиеся в пространстве между катодом и анодным блоком, действуют 3 поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле и электрическое поле СВЧ (резонаторной системы). При перемещении электронов в радиальном направлении (от катода к аноду) энергия источника анодного напряжения преобразуется в кинетическую энергию электронов. Под влиянием постоянного магнитного поля, направленного по оси катода (перпендикулярно постоянному электрическому полю), электроны изменяют направление движения: их радиальная скорость переходит в тангенциальную, перпендикулярную радиальной, Так как часть электрического поля СВЧ через щели резонаторов проникает в пространство анод - катод, то электроны при движении в тангенциальном направлении тормозятся тангенциальной составляющей электрического поля СВЧ, и поэтому их энергия, полученная от источника постоянного напряжения, преобразуется в энергию колебаний СВЧ. Поле СВЧ дважды за период колебаний меняет направление. Для непрерывного торможения электронов необходимо, чтобы они от одного резонатора к соседнему (в тангенциальном направлении) перемещались за полпериода. Такой синхронизм между перемещением электронов и тормозящим электрическим полем СВЧ является основным принципом работы многорезонаторного М. Электроны, которые попадают в ускоряющее поле СВЧ, увеличивают свою кинетическую энергию и выпадают из синхронизма. Они либо возвращаются на катод, либо попадают в тормозящее поле СВЧ и снова входят в синхронизм.

Типичные характеристики М. приведены на рис. 3 . М. начинает работать, когда анодное напряжение достигает значения, соответствующего началу синхронизма. С увеличением напряжения условия синхронизма улучшаются; сила тока, выходная мощность и кпд М. увеличиваются. При оптимальных условиях синхронизма кпд М. достигает максимума. Дальнейшее повышение анодного напряжения постепенно ухудшает синхронизм и сопровождается снижением кпд, несмотря на увеличение силы тока и выходной мощности.

Лит.: Алексеев Н. Ф., Маляров Д. Е., Получение мощных колебаний магнетроном в сантиметровом диапазоне волн, «Журнал технической физики», 1940, т. 10, в. 15, с. 1297-1300; Фиск Д., Хагструм Г., Гатман П., Магнетроны, пер. с англ., М., 1948; Бычков С. И., Магнетронные генераторы, Л., 1948; Магнетроны сантиметрового диапазона, пер. с англ., под ред. С. А Зусмановского, ч. 1-2, М., 1950-51, Коваленко В. Ф., Введение в электронику сверхвысоких частот, 2 изд., М., 1955; Самсонов Д. Е., Основы расчёта и конструирования многорезонаторных магнетронов, М., 1966.

В. Ф. Коваленко.

Рис. 3. Типичная рабочая характеристика импульсного магнетрона. Заштрихованными участками обозначены области отсутствия генерации, сплошными линиями - импульсная выходная мощность Р и и напряжённость постоянного магнитного поля Н, пунктирными линиями - кпд (без учёта мощности подогрева катода).

Рис. 2. Виды резонаторных систем магнетрона (а - равнорезонаторная без связок, б - равнорезонаторная со связками, в - разнорезонаторная) и графики разделения их резонансных частот Δ=(f π - f n)/f π , где f π - частота колебаний, соответствующая π-виду колебаний, f n - частота колебаний, соответствующая n-му номеру колебаний. В 18-резонаторном магнетроне 9-й вид колебаний является π-видом.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Магнетрон" в других словарях:

Магнетрон … Орфографический словарь-справочник

Магнетрон это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем. Со … Википедия

Многорезонаторный прибор для генерации эл. магн. колебаний СВЧ, основанный на вз ствии эл нов, движущихся в магн. поле по криволинейным траекториям с возбуждаемым эл. магн. полем. Анод М. массивный полый цилиндр, во внутр. части к рого вырезаны… … Физическая энциклопедия

магнетрон - а, м. magnétron m., англ. magnetron. спец. Электронная лампа специальной конструкции, в которой на электронный поток одновременно действуют постоянные электрическое и магнитное поля. БАС 1. Не включайте пустую печь, иначе магнетрон устройство, в… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

МАГНЕТРОН, вакуумная трубка, содержащая АНОД и разогретый КАТОД. Поток электронов от катода к аноду управляется внешне приложенным магнитным полем. Когда магнетрон используется в резонансной системе, он может действовать как ОСЦИЛЛЯТОР. Он… … Научно-технический энциклопедический словарь

Митрон, лампа Словарь русских синонимов. магнетрон сущ., кол во синонимов: 4 лампа (75) митрон … Словарь синонимов

- (от греч. magnetis магнит и...трон) электровакуумный прибор, мощный генератор электромагнитных волн сантиметрового диапазона. Принцип действия магнетрона основан на торможении электронов в скрещенных электрических и магнитных полях. Используется … Большой Энциклопедический словарь

- (Magnetron) электронная лампа без сетки; управление потоком электронов, испускаемых катодом и летящих к аноду, происходит при помощи магнитного поля, создаваемого катушкой, надетой на баллон лампы. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.:… … Морской словарь

магнетрон - Резонансный прибор М типа, в котором замкнутый электронный поток взаимодействует с СВЧ полем замкнутой замедляющей системы. [ГОСТ 23769 79] Тематики приборы и устройства защитные СВЧ Обобщающие термины приборы М типа EN magnetron … Справочник технического переводчика

МАГНЕТРОН - электровакуумный прибор для генерации электромагнитных колебаний диапазона сверхвысоких частот, в котором для создания нужных траекторий электронов используется постоянное магнитное поле. М. применяют в основном в радиолокационной аппаратуре и… … Большая политехническая энциклопедия

Магнетрон - 67. Магнетрон Magnetron Резонансный прибор М типа, в котором замкнутый электронный поток взаимодействует с СВЧ полем замкнутой замедляющей системы

диод в магнитном поле, направленном по его оси; в электронной технике - генераторный электровакуумный прибор СВЧ, в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.

Термин «Магнетрон » был введён американским физиком А. Халлом (A. Hull), который в 1921 впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы Магнетрон в статическом режиме и предложил ряд конструкций Магнетрон Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн (на волнах l ³ 29 см ) посредством Магнетрон открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек. В 20-е годы влияние магнитного поля на генерирование колебаний СВЧ исследовали физики: Е. Хабан (1924, Германия), А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг (1926-1929, СССР), К. Окабе и Х. Яги (1928-1929, Япония), И. Ранци (1929, Италия). В 30-е годы исследования Магнетрон как генератора СВЧ велись во многих странах. Основная задача этого периода - увеличение выходной мощности генерируемых колебаний - была решена в 1936-1937 советскими инженерами Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым под руководством Магнетрон А. Бонч-Бруевича . Они увеличили мощность Магнетрон на 2 порядка (до 300 вт на волне 9 см ), применив в качестве анода массивный медный блок, содержащий ряд резонаторов. Магнетрон такой конструкции называют многорезонаторным. Эта конструкция Магнетрон оказалась настолько совершенной, что в последующие годы во всём мире разрабатывались и выпускались только многорезонаторные Магнетрон В Магнетрон применяют катод, имеющий форму полого цилиндра, внутри которого располагается подогреватель. Катод такой формы впервые был предложен для радиоламп советским академиком А. А. Чернышевым в 1918. В 30-е годы многие инженеры предлагали для Магнетрон катоды в форме полого цилиндра, например американский инженер К. Хенсел в 1933 (для Магнетрон , у которого катод окружает анод), американские инженеры Л. Молтер, Дж. Райхман, Р. Гудрич в 1936 (для использования вторичной эмиссии катода в Магнетрон ), советский инженер В. П. Илясов в 1939 (для многорезонаторного Магнетрон ).

В 40-70-е годы в многорезонаторный Магнетрон инженерами многих стран (СССР, Великобритании, США, Японии и других) был внесён ряд улучшений, были разработаны более тысячи типов многорезонаторных Магнетрон , в основном для радиолокации . С конца 60-х годов резко увеличился выпуск Магнетрон непрерывного генерирования колебаний на волне ~ 12 см для нагрева полями СВЧ в печах бытового назначения (мощностью 0,5-3 квт ) и промышленных установках (мощностью 5-100 квт ). В 1950-1970-е годы на основе многорезонаторного Магнетрон был создан ряд приборов для генерации и усиления колебаний СВЧ (см. Магнетронного типа приборы ).

Распространение Магнетрон вызвано высоким кпд (до 80%), компактностью конструкции и стабильностью работы при сравнительно невысоких анодных напряжениях. В начале 70-х годов промышленно развитыми странами выпускаются Магнетрон для работы на различных частотах от 0,5 до 100 Ггц, с мощностями от нескольких вт до десятков квт в непрерывном режиме генерирования колебаний и от 10 вт до 5 Мвт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков мксек. Магнетрон выпускаются как неперестраиваемые (фиксированная частота), так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10%). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в сек ) - ротационные и вибрационные механизмы.

В простейшей конструкции многорезонаторного Магнетрон (рис. 1 ) анодный блок представляет собой массивный медный цилиндр с центральным круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40), выполняющими роль объёмных резонаторов . Каждый резонатор соединяется щелью с центральным отверстием, в котором расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему . Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн от 1 до /2 ( - число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при котором число полуволн равно числу резонаторов (так называемый p-вид колебаний). Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на p. Для стабильной работы Магнетрон (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10%). Так как в Магнетрон с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной (рис. 2 , а), её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока (рис. 2 , б), либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные - другой) (рис. 2 , в).

В многорезонаторном Магнетрон на электроны, движущиеся в пространстве между катодом и анодным блоком, действуют 3 поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле и электрическое поле СВЧ (резонаторной системы). При перемещении электронов в радиальном направлении (от катода к аноду) энергия источника анодного напряжения преобразуется в кинетическую энергию электронов. Под влиянием постоянного магнитного поля, направленного по оси катода (перпендикулярно постоянному электрическому полю), электроны изменяют направление движения: их радиальная скорость переходит в тангенциальную, перпендикулярную радиальной, Так как часть электрического поля СВЧ через щели резонаторов проникает в пространство анод - катод, то электроны при движении в тангенциальном направлении тормозятся тангенциальной составляющей электрического поля СВЧ, и поэтому их энергия, полученная от источника постоянного напряжения, преобразуется в энергию колебаний СВЧ. Поле СВЧ дважды за период колебаний меняет направление. Для непрерывного торможения электронов необходимо, чтобы они от одного резонатора к соседнему (в тангенциальном направлении) перемещались за полпериода. Такой синхронизм между перемещением электронов и тормозящим электрическим полем СВЧ является основным принципом работы многорезонаторного Магнетрон Электроны, которые попадают в ускоряющее поле СВЧ, увеличивают свою кинетическую энергию и выпадают из синхронизма. Они либо возвращаются на катод, либо попадают в тормозящее поле СВЧ и снова входят в синхронизм.

Типичные характеристики Магнетрон приведены на рис. 3 . Магнетрон начинает работать, когда анодное напряжение достигает значения, соответствующего началу синхронизма. С увеличением напряжения условия синхронизма улучшаются; сила тока, выходная мощность и кпд Магнетрон увеличиваются. При оптимальных условиях синхронизма кпд Магнетрон достигает максимума. Дальнейшее повышение анодного напряжения постепенно ухудшает синхронизм и сопровождается снижением кпд, несмотря на увеличение силы тока и выходной мощности.

Лит.: Алексеев Н. Ф., Маляров Д. Е., Получение мощных колебаний магнетроном в сантиметровом диапазоне волн, «Журнал технической физики», 1940, т. 10, в. 15, с. 1297-1300; Фиск Д., Хагструм Г., Гатман П., Магнетроны, пер. с англ., Магнетрон , 1948; Бычков С. И., Магнетронные генераторы, Л., 1948; Магнетроны сантиметрового диапазона, пер. с англ., под ред. С. А Зусмановского, ч. 1-2, Магнетрон , 1950-51, Коваленко В. Ф., Введение в электронику сверхвысоких частот, 2 изд., Магнетрон , 1955; Самсонов Д. Е., Основы расчёта и конструирования многорезонаторных магнетронов, Магнетрон , 1966.

Статья про слово "Магнетрон " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 13360 раз

Контрольная работа

Магнетроны

1. Устройство магнетрона

Литература

1. Устройство магнетрона

Магнетрон – это диод с постоянным магнитным полем, перпендикулярным направлению электрического поля. Колебательная система магнетрона образована рядом объемных резонаторов, выполненных в толще анодного блока (рис.1).

Рис.1

Электроны эмитируются цилиндрическим катодом. Пространство между катодом и анодом называется пространством взаимодействия. В этой области постоянное электрическое поле направлено по радиусу, магнитное – перпендикулярно плоскости чертежа и в ней происходит обмен энергиями между электронами и СВЧ полем. Объемные резонаторы связаны с пространством взаимодействия через щели, поэтому СВЧ поле провисает в пространство взаимодействия. При определенных условиях в многорезонаторном магнетроне возникают колебания. Энергия выводится с помощью петли, находящейся в одном из резонаторов и коаксиальной линии или волновода. Так как постоянное электрическое поле направлено по радиусу, а постоянное магнитное поле – вдоль оси катода, электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны (скрещение поля).

2. Статические характеристики цилиндрического магнетрона

Статическими характеристиками называются зависимости (рис. 2)

При

При

при отсутствии СВЧ колебаний.

Рис. 2

Согласно курсу «Специальные разделы физики», траектория движения электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях описывается траекторией точки, находящейся на ободе катящегося колеса (рис.3).

Рис.3

Если увеличивать индукцию магнитного поля при неизменном анодном напряжении U a = Const то радиус катящего круга постепенно уменьшается. Электронные траектории, которые при B =0 нормальны к поверхностям анода и катода начинают искривляться. При d =2 R в плоском магнетроне электроны лишь касаются анода в вершине циклоиды. При d >2 R электроны, не доходя до анода, совершают многократные колебания по циклоиде. Ток анода резко падает. Соответствующая величина магнитной индукции называется критической индукцией B kp . Конечная скорость спада тока при B = B kp и наличие небольшого тока I a  0 при B > B kp объясняется влиянием начальных скоростей электронов, колебаниями, спонтанно возникающими в электронном облаке магнетрона, и рядом других факторов.

Таким образом, в плоском диоде при

В цилиндрическом магнетроне

Где – радиус катода;

– радиус анода.

При неизменной величине B существует критическое анодное напряжение, ниже которого ток через диод становится равным нулю.

Это уравнение определяет параболу критического режима (рис.4.)

Рис. 4.

Значение и являются важными параметрами, характеризующими работу магнетрона (рис.4). не только в статическом режиме, но и при наличии СВЧ колебаний. Рабочей областью магнетрона является область под параболой критического режима, где:

B > B kp ; U a < U akp .

3. Виды колебаний анодного блока многорезонаторного магнетрона

Колебательная система многорезонаторного магнетрона состоит из объемных резонаторов и пространства взаимодействия. Соседние резонаторы связаны пространством взаимодействия, поэтому колебательную систему можно представить замкнутой цепочкой связанных резонаторов (рис.5),

Рис. 5.

Где: L и C – эквивалентные индуктивность и емкость идентичных резонаторов; С k – емкость между сегментом и катодом, которая определяет емкостную связь между резонаторами.

Предполагается, что магнитная связь между резонаторами отсутствует.

В замкнутой системе цепочки резонаторов (звеньев фильтра) могут возбуждаться только те колебания, для которых сумма сдвигов фазы в звеньях при одном обходе кратна величине 2  . Сдвиг фазы на одно звено  0 , т.е. между колебаниями в соседних резонаторах, может принимать лишь следующие дискретные значения:

где N – число резонаторов, n – целое число, называемое номером вида колебаний. В теории фильтров доказывается, что сдвиг фазы на одно звено  0 в полосе прозрачности системы не может быть более 180  , поэтому номер вида и соответствующие ему углы приобретают лишь следующие значения:

				….
 0				….

Вид колебаний n =0,  0 =0 называется синфазным, а n = N /2,  0 =  – противофазным или  – видом.

Соотношение называют условием цикличности или замкнутости СВЧ – поля магнетрона.

Каждому виду колебаний соответствует собственная частота колебательной системы. Переход к другому виду означает изменение сдвига фазы  0 на одно звено, а при фиксированных параметрах L , C , C k каждого звена каждое новое значение  0 можно получить только на другой частоте. Расчет по эквивалентной схеме приводит к формуле для частоты  k / n вида колебаний с номером n :

где – собственная резонансная частота изолированного резонатора.

Расчет по теории фильтров дает

Где: – последовательное сопротивление лестничной структуры;

– параллельное сопротивление лестничной структуры.

откуда:

Из формулы видно, что с ростом n растет частота. Для  -вида

Для вида n =0 формула неприемлема. Каждому виду соответствует вполне определенная картина СВЧ поля в пространстве взаимодействия. Например, при N =8 для видов n =4 и n =2 картины поля в пространстве взаимодействия имеют вид рис.

Рис.

Рабочим видом колебаний в многорезонаторных магнетронах, обеспечивающим максимальный к.п.д., является  -вид.  -вид возможен только при четном количестве резонаторов.

СВЧ поле имеет азимутальную E  и радиальную E r составляющие. Картина распределения азимутальной составляющей СВЧ поля по азимуту имеет вид рис.7.

Рис.7.

Зависимость поля от азимута несинусоидальная, поэтому как и в замедляющих системах с периодическими неоднородностями, необходимо учитывать пространственные гармоники.

Понятие пространственных гармоник введено для бегущих волн, а в пространстве взаимодействия магнетрона поле имеет характер стоячей волны. Очевидно, что несинусоидальную по азимуту стоячую волну можно представить как суперпозицию двух несинусоидальных по азимуту волн, бегущих в противоположных направлениях. Каждую из этих волн можно заменить суммой пространственных гармоник. В результате для каждого номера гармоники имеется две синусоидальных волны, бегущих с равными фазовыми скоростями, но в противоположных направлениях.

Условие цикличности справедливо лишь для нулевой пространственной гармоники (p =0) любого вида колебаний. Для гармоники с номером p сдвиг фазы на одно звено системы фильтров.

; где

Очевидно, что волна нулевой гармоники вида n совершает один обход пространство взаимодействия за время nT n , а путь между соседними резонаторами за время

где T n – период высокочастотного поля вида n . Для гармоники с номером p время движения между соседними резонаторами на целое число периодов больше, чем, т.е.

Поэтому угловая скорость волны пространственной гармоники p -номера вида n , для геометрического угла между соседними резонаторами

Из формулы следует, что для любого вида колебаний n максимальная угловая скорость у нулевой гармоники. Наименьшая угловая скорость нулевой гармоники наблюдается у  -вида

Очевидно, что для  -вида наибольшую и одинаковую по абсолютной величине угловую скорость имеют одновременно пространственные гармоники p =0 и p =-1.

Фазовые скорости волн, бегущих вдоль анодного блока равны

Чем выше номер вида колебаний n и чем больше номер пространственной гармоники p , тем меньше скорости прямых и обратных волн, вращающихся в пространстве взаимодействия. Волна, соответствующая p =0 имеет при данном n наибольшую фазовую скорость и является основной волной.

Величина фазовой скорости может быть сделана значительно меньше скорости света c в свободном пространстве. Замедление

где  – рабочая длина волны в свободном пространстве.

Для волны  -вида при p =0.

при  =3 см, r a =0,5 см; N =16:

4. Движение электронов в пространстве взаимодействия магнетрона. Фазовая фокусировка. Спицы пространственного заряда

Если высокочастотные колебания отсутствуют, электроны движутся по циклоидам. Конвекционный ток анода при B > B kp равен нулю. Рассмотрим изменение этого движения при наличии малых высокочастотных колебаний.

Наиболее интенсивное взаимодействие электронов с СВЧ полем может быть при условии, что электрон длительное время находится в тормозящей фазе СВЧ поля. СВЧ поле в пространстве взаимодействия может быть представлено в виде волн, бегущих в пространстве между катодом и анодом. Поэтому условие приблизительного постоянства фазы СВЧ поля относительно электрона можно рассматривать, как условие равенства фазовой скорости одной из волн и средней скорости V ц , с которой перемещается центр катящегося круга

При обеспечении синхронизма для одной из волн действие на электрон других волн можно не учитывать, так как их фазовые скорости будут значительно отличаться от V ц .

Свяжем с одной из волн систему координат, двигающуюся вместе с волной со скоростью. Электрическое поле волны относительно этой системы координат является неподвижным. Пусть средняя скорость электронов, равная совпадает с фазовой скоростью волны. Рассмотрим поведение типичных электронов, находящихся в разных участках пространства взаимодействия (рис.8).

Рис.8

Результирующее электрическое поле определяется сложением векторов постоянного и СВЧ электрических полей и будет разным в точках 1,2,3,4.

Результирующее электрическое поле E  , действующее на электрон типа 1, не изменяет своего направления, но уменьшается по абсолютной величине (рис. 9.).

Рис. 9

Скорость центра катящегося круга, равная теперь, уменьшится по сравнению со статическим режимом. В результате электрон типа 1 начинает отставать от бегущей волны и постепенно смещается к электрону типа 4. Похожее изменение происходит и с электроном типа 3 для которого результирующее электрическое поле несколько увеличивается по сравнению со статическим режимом (рис 10).

Рис. 10

Поэтому электрон типа 3 двигается быстрее волны и постепенно тоже приближается к электрону типа 4. Электрон типа 4 вынужден двигаться в поле E  мало отличающемся по абсолютной величине от статического электрического поля, по имеющем некоторый наклон вектора E  (рис. 11).

Рис. 11

Этот наклон означает, что круг, определяющий циклоидальную траекторию, не должен более катиться параллельно плоскости катода. Качение круга должно теперь происходить по линии, перпендикулярной E  , т.е. наклоненной в сторону анода. В неподвижной системе координат электрон типа 4, оставаясь в синхронизме с волной, постепенно двигается по направлению к аноду.

Таким образом, электрон типа 4 длительное время находится в области максимального поля. При каждом циклоидальном колебании электрон теряет часть потенциальной энергии и поднимается все ближе к аноду (рис. 12). Вращательная энергия электрона остается примерно постоянной.

Рис.12

С физической точки зрения электрон типа 4 является наиболее благоприятным для поддержания колебаний в магнетроне. Электроны типов 1 и 3 постепенно улучшают свою фазу относительно ВЧ поля и, попадая в тормозящее тангенциальное поле, так же становится благоприятными для генерации.

Электрон типа 2 после выхода из катода подвергается действию ускоряющего тангенциального поля (рис. 13).

Рис.13.

Плоскость, по которой происходит качение круга, наклоняется в сторону катода. В конце первого циклоидального колебания, электрон типа 2, поглотив часть энергии от ВЧ поля, ударяется о катод и прекращает дальнейшее существование в пространстве взаимодействия (рис.14). Электрон типа 2 является неблагоприятным для возбуждения колебаний. Поскольку он быстро «отсортировывается» на катод, в пространстве взаимодействия остаются в основном благоприятные электроны.

Рис. 14.

Таким образом, действие высокочастотного электрического поля автоматически приводит к сортировке электронов, причем благоприятные (правильнофазные) электроны отдают ВЧ полю больше энергии, чем поглощают неблагоприятные электроны. В результате малые колебания должны нарастать по амплитуде, т.е. должно происходить самовозбуждение магнетрона.

Благоприятные электроны создают конвекционный ток анода при B > B kp . Неблагоприятные для возбуждения колебаний электроны, бомбардирующие катод, вызывают его дополнительный разогрев и приводят к появлениюзначительной вторичной эмиссии с катода.

Основную роль в группировке (фазовой фокусировке) в магнетроне играет радиальная составляющая СВЧ электрического поля. Роль тангенциальной составляющей сводится к отбору энергии от электронов.

Образование электронных сгустков можно наглядно проследить в системе координат, двигающейся со скоростью замедленной волны (рис. 15).

Рис. 15.

В этой системе при отсутствии СВЧ колебаний центры катящихся кругов, определяющих реальные траектории электронов, останутся неподвижными. Каждый из электронов при этом описывает окружность. Действие радиального и тангенциального СВЧ полей приводят к тому, что центры катящихся кругов постепенно смещаются.

Преобладает передача энергии полю, что усиливает воздействие поля на электронный поток и т.д. В пространстве взаимодействия возникают пульсации границы облака пространственного заряда, которые в установившемся режиме достигают анода. Динамический пространственный заряд приобретает форму спиц, которые вращаются вокруг анода с постоянной угловой скоростью (рис.16).

Число спиц, очевидно равно числу тормозящих областей СВЧ поля в пространстве взаимодействия, т.е. номеру вида колебаний. У колебаний  -вида число спиц максимально и равно половине числа резонаторов. В спице существует динамическое равновесие: в нее постоянно входят электроны из прикатодной области и постоянно выходят электроны на анод.

Рис. 16

5. Условия самовозбуждения многорезонаторного магнетрона

Условия самовозбуждения магнетрона сводятся к условию синхронизма, обеспечивающему передачу потенциальной энергии электронного потока СВЧ полю, т.е. к требованию равенства фазовой скорости и скорости переносного движения электрона V n для выбранной пространственной гармоники p вида колебаний n

Фазовая скорость волны на этом радиусе будет средней для пространства взаимодействия.

где – частота колебаний для n -вида;

– угловая скорость волны пространственной гармоники p вида колебаний n .

Переносная скорость, поэтому условие синхронизма можно записать в виде.

Так как, величина порогового напряжения, при котором выполняется условие синхронизма.

Связь между U anop и магнитной индукцией линейная. Графики этой зависимости называют пороговыми прямыми (или прямыми Хартри). Прямые проходят через начало координат, а их наклон зависит от номера вида колебаний n и номера пространственной гармоники p (рис. 17).

Рис. 17.

Построенные прямые пересекают параболу критического режима. При значениях U a , соответствующих заштрихованной области генерации колебаний нет, так как электроны в этом случае быстро уходят на анод, не успевая провзаимодействовать с СВЧ полем. При U a < U akp (ниже параболы) в точках на пороговых прямых начинается возбуждение колебаний, так как в «закритическом» режиме из-за циклоидального движения возможно длительное взаимодействие с СВЧ полем. Наименьшие пороговые напряжения соответствуют колебаниям  -вида (n = N /2), что является важным преимуществом этого вида колебаний.

Уравнение для U a пор является приближенным. При его выводе неявно предполагалось, что кинетическая энергия электрона при переходе к аноду равна нулю. На самом же деле из условия синхронизма скорость электрона у анода равна.

кинетическая энергия электрона у анода.

С учетом перехода части потенциальной энергии eU a в кинетическую энергию электрона W k , выражение для порогового напряжения запишется в виде

Зависимость U anop = f (B ) по прежнему линейна, однако пороговые прямые уже не проходят через начало координат из-за наличия второго слагаемого. Пороговые прямые теперь не пересекают параболу критического

режима, а только касаются ее. Минимальное значение порогового напряжения для каждой пороговой прямой соответствует этой точке касания (рис.18).

Рис. 18

Это пороговое напряжение называют напряжением синхронизации. Очевидно, что минимальное пороговое напряжение требуется в том случае, когда электроны движутся параллельно поверхности анода в непосредственной близости от него со скоростью, равной скорости волны

Напряжение синхронизации соответствует выполнению условия самовозбуждения в предельном случае вблизи критического режима работы магнетрона. Таким образом, напряжение синхронизации – это такое напряжение при котором превращение всей скорости вблизи анода в круговую обеспечивает синхронное движение электронов и поля. Если U a < U c электроны движутся медленнее волны и магнетрон не работает. Таким образом, рабочую диаграмму магнетрона можно представить в виде рис.19.

Рис. 19

Рассмотрим как меняются условия движения электрона при увеличении анодного напряжения при фиксированном значении B = B раб .

1. На участке А-С электрон движется по циклоиде со средней скоростью меньше скорости волны. По мере роста U a радиус циклоиды растет, средняя скорость электрона увеличивается.
2. В точке С выполняются условия синхронизма электроны вступают во взаимодействие с волной. Группирующиеся электроны отдают потенциальную энергию СВЧ полю и поднимаются к аноду. Через магнетрон начинает протекать анодный ток. Пороговая прямая разграничивает области протекания и не протекания анодного тока в динамическом режиме.
3. Участок С- D является рабочим участком. При увеличении U a в пределах этого участка электроны, двигаясь в закритическом режиме, находятся все время в синхронизме с СВЧ полем. С ростом U a возрастает анодный ток и амплитуда колебаний.
4. Точка D лежит на параболе критического режима. В этом случае электрон достигает анода при прохождении первой петли циклоиды и вся потенциальная энергия электрона целиком переходит в его кинетическую энергию у анода. к.п.д. становится равным нулю, колебания срываются, через магнетрон течет ток, определяемый статическими условиями.
5. При U a < U kp магнетрон находится в докритическом режиме и возбудиться не может. Точка E на рабочей диаграмме определяет минимальные значения U amin и B 0 , ниже которых самовозбуждение магнетрона невозможно. Координаты точки E равны

Для  -вида колебаний (n = N /2)

Из формул видно, что чем больше число резонаторов N , тем меньше минимальные значения U amin и B 0 .

При работе на пространственных гармониках p =  1 пороговое напряжение и минимальное значение магнитной индукции оказываются ниже, чем для p =0. Использование ненулевых пространственных гармоник позволяет работать при меньшем анодном напряжении. Однако напряженность поля гармоник уменьшается сильнее от анода к катоду, чем у нулевой, что затрудняет самовозбуждение колебаний. Существуют маломощные магнетроны с рабочим напряжением U a <100 B .

6. Разделение видов колебаний в многорезонаторных магнетронах

Каждому виду колебаний в многорезонаторном магнетроне соответствует своя рабочая частота. Наименьшая разница частот  f получается между рабочим  -видом и ближайшим видом. Чем больше число резонаторов, тем меньше эта разница. Ее называют разделением частот. Относительное разделение частот  f / f небольшое, порядка 1%. Для устойчивости работы магнетрона на  -виде колебаний желательно иметь разделение частот порядка 10-20%. При одинаковых размерах резонаторов  f / f увеличивается с помощью связок. Связки представляют собой проволочки или ленточные проводники, расположенные над торцами анодного блока и присоединенные последовательно через один к его сегментам (рис.20).

Если в магнетроне возбуждены колебания  -вида, то каждая связка соединяет точки с одинаковым потенциалом. Поэтому связки не изменяют распределения поля. Однако между связкой и анодным блоком имеется емкость, которая понижает резонансную частоту  -вида колебаний по сравнению со случаем отсутствия связок.

Предположим теперь, что возбуждаются другие виды колебаний n < N /2. Тогда те же точки прикосновения связок уже не имеют одинаковый потенциал. По связкам потекут уравнительные токи, влияние которых эквивалентно подключению индуктивности параллельно двум резонаторам.

Рис.20

Это повышает частоты нерабочих видов колебаний (Рис.21).

Рис. 21

Связки бывают:

• односторонние (с одной стороны анодного блока);
  • двусторонние;
  • одинарные (одно кольцо с одной стороны);
  • двойные (два кольца с одной стороны);
  • открытые (связка над блоком);
  • экранированные;
  • симметричные;
  • асимметричные.

С увеличением высоты анодного блока влияние связок уменьшается. Использование связок повышает к.п.д. и выходную мощность магнетрона, так как позволяет работать при больших токах пучка не опасаясь перескока с одного вида колебаний на другой. В то же время наличие связок снижает собственную добротность резонатора. С ростом рабочей частоты конструктивное выполнение связок затрудняется.

На длинах волн < 3см вместо связок обычно используют для разделения видов колебаний разнорезонаторные анодные блоки (рис.22). В разнорезонаторных системах могут применяться как большие и малые резонаторы одного типа, так и комбинации резонаторов разных типов.

Рис. 22

На рис.22 показана разнорезонаторная система с щелевыми резонаторами.

Для разнорезонаторной системы эквивалентная схема звена фильтра, образованного большим и малым резонаторами имеет вид рис.23.

Рис. 23

где L 1 , C 1 – индуктивность и емкость большого резонатора;

– его резонансная частота;

L 2 , C 2 – индуктивность и емкость малого резонатора;

– его резонансная частота;

C k – емкости ламелей на катод.

При использовании обозначений:

схема рис.23 приобретает вид, изображенный на рис.24.

Рис.24

Так как четвертым слагаемым можно пренебречь.

Для  -вида:  0 =  ; Cos 2  0 = Cos 2  =1.

Резонансная частота для  -вида определяется резонансной частотой контура, образованного параллельными соединением большого и малого резонаторов.

Для разнорезонаторных магнетронов резонансные длины волн распадаются по две группы, соответствующие малым и большим резонаторам. Резонанс вида  лежит между этими двумя группами (рис.25).

Рис.25

Для восемнадцатирезонаторного магнетрона разделение видов показано на рис.25.

Отношение резонансных частот малых и больших резонаторов выбирают равным:

СВЧ поле в пространстве взаимодействия, создаваемое большими резонаторами превышает СВЧ поле малых резонаторов. Так как поле больших резонаторов всегда изменяется синфазно, на  -вид в разнорезонаторной системе накладывается нулевой вид. Это снижает эффективность взаимодействия.

7. К.п.д. многорезонаторного магнетрона

Прямое вычисление к.п.д. затруднено, поэтому вычисляют мощность, рассеиваемую электроном на аноде после взаимодействия с СВЧ полем, а затем используют закон сохранения энергии. Скорость, которую имеет электрон при ударе об анод, зависит от момента удара. В наихудшем с точки зрения к.п.д. случае удар происходит в верхней точке циклоиды. Радиус катящегося круга

где d – расстояние между катодом и анодом.

Циклотронная частота

Максимальная скорость электрона в вершине циклоиды

Максимальная кинетическая энергия, рассеиваемая электроном на аноде,

Тот же электрон, находясь на катоде до начала движения в пространстве взаимодействия обладал потенциальной энергией.

Следовательно, энергия, отданная СВЧ полю, по закону сохранения энергии равна:

Электронный к.п.д. рассматриваемого одиночного электрона

Полученное уравнение можно преобразовать к виду:

При U a = U akp ; B = B kp электронный к.п.д. равен нулю, что согласуется с ранее полученными из рабочей диаграммы результатами.

Рис. 2

Полученная формула не дает теоретического предела к.п.д. (при U a << V akp и B = B kp  эл  1).

Чтобы проследить зависимость к.п.д. от величины магнитного поля используем упрощенное условие самовозбуждения

Полагая, что p =0 и d = r a – r k , получим

Из формулы видно, что для достижения одного и того же значения  эл наименьшее магнитное поле требуется при  -виде колебаний.

На первый взгляд кажется, что к.п.д. возрастает с уменьшением отношения r k / r a . Однако при малом r k / r a электрическое поле становится неоднородным (большим вблизи катода и меньшим вблизи анода) и это не позволяет выполнить условия синхронизма. Для оценки оптимального соотношения r k / r a предложены эмпирические соотношения от которых можно заметно отклоняться.

Полный к.п.д. магнетрона с учетом к.п.д. резонаторной системы  k равен:

К.п.д. резонансной системы:

8. Рабочие и нагрузочные характеристики магнетронов

Рабочими характеристиками называются вольтамперные характеристики, снятые при условиях В= const , P ген = const , f = const , = const . Эти характеристики принято строить в прямоугольной системе координат. По вертикальной оси откладывается постоянное анодное напряжение, а по горизонтальной - постоянный анодный ток.

Рассмотрим идеализированные рабочие характеристики, которые получаются из простых соотношений

Семейство кривых постоянной генерируемой мощности P ген = const . (рис 27).

Рис. 27

Если бы к.п.д. оставался неименным и не зависел от I a то при P ген = const вольтамперные характеристики U a = f (I a ) имели бы вид гипербол. Однако с ростом I a электронный к.п.д. несколько снижается, так как при этом повышается амплитуда СВЧ колебаний и увеличивается доля мощности, рассеиваемой на аноде в конце последнего витка циклоиды. Чем больше генерируема мощность, тем выше и правее должны располагаться кривые P ген = const .

Семейство кривых постоянной магнитной индукции. (рис 28).

Рис. 28

При неизменной магнитной индукции при повышении анодного напряжения от нуля до значения U пор анодный ток должен быть очень мал и колебания должны отсутствовать. При достижении U пор происходит самовозбуждение катода и резкое возрастание анодного тока. Величина I a при этом достигает максимального значения, определяемого эмиссионной способностью катода. Увеличение магнитной индукции соответствует большей величине анодного напряжения, при котором начинается протекать ток, так как:

Крутые участки, показанные пунктиром, экспериментально снять не удается, пологие участки почти параллельны оси I a . Динамическое сопротивление составляет 60-130 Ом для импульсных магнетронов, и 700 Ом для непрерывных.

Статическое сопротивление:

Семейство кривых постоянного к.п.д. (рис. 29).

Рис 29

Для объяснения зависимости нужно учесть зависимость, (рис 30).

К.п.д. резонатора от режима работы магнетрона не зависит.

Рис 30

При малых анодных токах СВЧ поле слишком мало, чтобы сгруппировать электронный поток в спицы и к.п.д. мал. При слишком больших токах происходит разгруппирование заряда и к.п.д. также уменьшается. Поэтому зависимости U a = f (I a ) при = const не монотонные. На начальных участках при малых токах они аналогичны кривым при P ген = const , а при больших токах для поддержания постоянства к.п.д. необходимо увеличение анодного напряжения.

Линии равной частоты.

Электронная проводимость, вносимая электронным потоком в резонаторы магнетрона, имеет комплексный характер. Реактивная часть этой проводимости, связанная с наличием фазового сдвига между максимумами наведенного тока и максимумом СВЧ напряжения, вызывает смещение частоты генерируемых колебаний относительно резонансной частоты колебательной системы (рис 31). При соответствующем подборе анодного напряжения фазовая скорость волны и скорость электронного потока совпадают (спицы движутся синхронно с полем) (рис 32).

Рис 31

Если анодное напряжение возрастает, для сохранения синхронного движения спица должна уйти вперед в область тормозящего радиального СВЧ поля. Это компенсирует изменение скорости электронов за счет роста постоянного анодного напряжения. При уменьшении анодного напряжения спица будет смещаться влево в область ускоряющего радиального СВЧ поля. Таким образом, возникает фазовый сдвиг между спицей и СВЧ полем, что приводит к изменению частоты генерации. Зависимости при не имеют очевидной качественной трактовки.

Рис 32

Нагрузочные характеристики зависимости и, снятые при номинальных значениях В и I a при изменении Z н и построенные на круговой диаграмме (рис 33). Линии P ген = const близки к линиям R = const - постоянного активного сопротивления.

Рис 33

Линии f = const близки, но не совпадают, к линиям Х= const постоянного реактивного сопротивления. Изменение частоты, которое происходит при изменении фазы коэффициента отражения от 0 до 2р, при [Г]=0.2 (КСВ=1.5) называют степенью затягивания частоты нагрузкой ().

Для магнетронов 10 см диапазона 10-15 Мгц, для 3 см диапазона 15-20 МГц. Степень затягивания напрямую связана с внешней добротностью.

Применение магнетронов.

Мощность, отдаваемая магнетронами:

1Вт-10кВт - в непрерывном режиме

50кВт-10МВт - в импульсном режиме.

Основные области применения:

1. Передатчики импульсных РЛС и радиолокационных маяков

2. Генераторы помех

3. Импульсные генераторы для питания линейных ускорителей электронов.

4. Генераторы непрерывного режима для промышленного нагрева.

5. Бытовые СВЧ печи.

Преобразование СВЧ энергии в энергию постоянного тока.

Литература

Кучумов, А.И. Электроника и схемотехника: Учебное пособие / А.И. Кучумов. - М.: Гелиос АРВ, 2011. - 336 c.

Лапынин, Ю.Г. Контрольные материалы по электротехнике и электронике: Учебное пособие для учреждений среднего профессионального образования / Ю.Г. Лапынин. - М.: ИЦ Академия, 2011. - 128 c.

26. Лачин, В.И. Электроника: Учебное пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. - Рн/Д: Феникс, 2010. - 703 c.

Манаев, Е.И. Основы радиоэлектроники / Е.И. Манаев. - М.: ЛИБРОКОМ, 2013. - 512 c.

Марченко, А.Л. Основы электроники: Учебное пособие для вузов / А.Л. Марченко. - М.: ДМК Пресс, 2013. - 296 c.

Миловзоров, О.В. Электроника: Учебник для бакалавров / О.В. Миловзоров, И.Г. Панков. - М.: Юрайт, 2013. - 407 c.

Мишкович, В.И. Электротехника и электроника: Учебное пособие для вузов / В.В. Кононенко, В.И. Мишкович, В.В. Муханов [и др.]; Под ред. В.В. Кононенко. - Рн/Д: Феникс, 2010. - 784 c.

Морозова, Н.Ю. Электротехника и электроника: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Н.Ю. Морозова. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 288 c.

Москатов, Е.А. Силовая электроника. Теория и конструирование / Е.А. Москатов. - М.: Корона-Век, МК-Пресс, 2013. - 256 c.

Неволин, В.К. Квантовый транспорт в устройствах электроники / В.К. Неволин. - М.: Техносфера, 2012. - 88 c.

Немцов, М.В. Электротехника и электроника: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования / М.В. Немцов, М.Л. Немцова. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 480 c.

Нефедов, А.В. Диоды, транзисторы и модули для силовой электроники / А.В. Нефедов. - М.: Радио и связь, 2012. - 312 c.

Новожилов, О.П. Электротехника и электроника: Учебник для бакалавров / О.П. Новожилов. - М.: Юрайт, 2013. - 653 c.

Опадчий, Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. - М.: Гор. линия-Телеком, 2007. - 768 c.

Партала, О.Н. Цифровая электроника / О.Н. Партала. - М.: Наука, 2001. - 224 c.

Пихтин, А.Н. Квантовая и оптическая электроника: Учебник / А.Н. Пихтин. - М.: Абрис, 2012. - 656 c.

Платт, Ч. Электроника для начинающих / Ч. Платт; Пер. с англ. Б. Бондаренко. - СПб.: БХВ-Петербург, 2013. - 480 c.

Покотило, С.А. Справочник по электротехнике и электронике / С.А. Покотило. - Рн/Д: Феникс, 2012. - 282 c.

Полещук, В.И. Задачник по электронике: Практикум для студ. сред. проф. образования / В.И. Полещук. - М.: ИЦ Академия, 2011. - 160 c.

Прянишников, В.А. Электроника: курс лекций / В.А. Прянишников. - СПб.: КОРОНАпринт, 2000.

Рекус, Г.Г. Лабораторный практикум по основам электротехники и промышленной электроники: Учебное пособие / Г.Г. Рекус. - М.: Высш. шк., 2007. - 255 c.

Розум, Т.Т. Сборник задач по электротехнике и электронике: Учебное пособие / Ю.В. Бладыко, Т.Т. Розум, Ю.А. Куварзин; Под общ. ред. Ю.В. Бладыко. - Мн.: Вышэйшая шк., 2012. - 478 c.

Сидоров, И.Н. Электроника дома и в саду / И.Н. Сидоров. - М.: Радио и связь, 2001. - 144 c.

Определение . Многорезонаторными магнетронами называют электронные приборы, в которых образование электронного потока и его взаимодействие с переменными электрическими полями ряда колебательных контуров-резонаторов происходит в стационарных скрещенных электрическом и магнитном полях. Магнетроны служат генераторами незатухающих колебаний в диапазоне от миллиметровых до метровых волн.

Устройство . Анодный блок многорезонаторного магнетрона (рис. 5-1) представляет собой невысокий медный цилиндр с рядом отверстий, параллельных оси цилиндра. Вместе со щелями, соединяющими эти отверстия с центральным, они образуют объемные резонаторы. Таким образом, анодный блок представляет собой систему связанных контуров. Часть анодного блока, заключенная между двумя соседними щелями, называется сегментом. В центральном отверстии расположен катод в виде цилиндра, боковая поверхность которого покрыта оксидным слоем. Пространство между катодом и анодным блоком называется пространством взаимодействия. Здесь поток электронов, движущихся от катода к аноду, взаимодействует с переменными электрическими полями, сконцентрированными вблизи щелей колебательных систем. В одном из резонаторов имеется петля связи, с помощью которой энергия высокочастотных колебаний отводится из магнетрона. Как правило, анодный блок магнетрона заземляется а катоду сообщается достаточно высокий отрицательный потенциал.

Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, образуемое постоянным магнитом, полюсы которого находятся вблизи торцовых поверхностей анодного блока. Поэтому движение электронов в пространстве взаимодействия подобно движению электронов в системе цилиндрических электродов, помещенной в осевое магнитное поле (рис. 4-5). Однако траектории электронов в магнетроне более сложные, так как, помимо постоянных электрического и магнитного полей, в пространстве взаимодействия имеется переменное электрическое поле, влияющее на движение электронов.

Принцип действия . Механизм возникновения незатухающих колебаний в магнетроне такой же, как и в любом автогенераторе. Начальные колебания в резонаторах магнетрона возникают в результате флуктуации электронного потока. Частота этих колебаний в общем случае несколько отличается от собственной резонансной частоты колебательных систем, так как анодный блок магнетрона образует систему сложно связанных контуров. Колебания поддерживаются за счет энергии источника постоянного напряжения анод - катод, которая с помощью электронного потока, ускоряемого постоянным электрическим полем и взаимодействующего с переменным электрическим полем вблизи щелей резонаторов, передается полю волны. Такую направленную передачу энергии можно осуществить, как известно, если электронный поток взаимодействует с переменным электрическим полем определенной фазы. Для этого электронный поток должен быть сгруппирован в сгустки, время прохождения которых вблизи щели резонатора совпадало бы со временем существования там поля в нужной фазе.

Движение электронов от катода к аноду в магнетроне происходит не во всех азимутальных направлениях равномерно. Потоки электронов к аноду создаются лишь в некоторых областях пространства взаимодействия, образуя так называемые электронные спицы (рис. 5-2, а). Число спиц зависит от характера высокочастотных колебаний и в наиболее употребительном режиме работы магнетрона равно половине числа резонаторов. Электроны в спицах перемещаются к аноду по сложным петлеобразным траекториям, так как характер их движения определяется суммарным воздействием постоянного и переменного электрических полей и постоянного магнитного поля.

Спицы образуются вблизи участков катода, лежащих против тех сегментов анода, которые в данный момент оказываются благодаря наложению переменного электрического поля заряженными до более положительного потенциала (рис. 5-2, б). Так как с изменением фазы колебаний меняются знаки заряда на сегментах анода, то изменяются и участки катода, вблизи которых формируются спицы. Спицы как бы вращаются в пространстве взаимодействия со скоростью, зависящей от частоты колебаний и фазовых соотношений для полей двух соседних резонаторов.

Скорость вращения спиц такова, что моменты прохождения электронов вблизи щелей резонаторов всегда совпадают с моментами существования там нужной фазы поля. Иначе говоря, вращение спиц синхронизируется с изменением фазы высокочастотных колебаний.

При сложном движении в спице от катода к аноду электроны на каждом витке теряют часть своей потенциальной энергии, которая и передается полю.

Электроны, отдавшие свою энергию полю, непрерывно уходят на анод, а спицы пополняются новыми электронами, эмиттированными катодом. Таков в общих чертах принцип работы многорезонаторного магнетрона.

5-2. Виды колебаний в магнетроне

Возможные виды колебаний. Как видно из рис. 5-1, анодный блок магнетрона представляет собой цепочку из N объемных резонаторов, свернутую в кольцо. Вообще говоря, в такой системе связанных резонаторов может возникнуть N различных видов колебаний. Однако в замкнутой системе из N резонаторов существуют только те колебания, для которых суммарная разность фаз при обходе по окружности анодного блока равна:

Ф = 2πn, (5-1)

где n = 0, 1, 2, ..., N определяет число целых периодов высокочастотного колебания, укладывающихся вдоль окружности анодного блока.

Иначе говоря, если волна в некоторой точке анодного блока характеризовалась фазой ψ, то при распространении вдоль цепочки резонаторов она должна возвратиться в эту точку с той же фазой. В противном случае в результате интерференции волна уничтожится.

Разность фаз колебаний в соседних резонаторах, следовательно, должна быть равна:

Из формулы (5-2) легко видеть, что при целочисленных значениях n, больших N, возможные величины фазовых сдвигов будут повторять величины φ для 0

Основным видом колебаний в многорезонаторном магнетроне являются π-колебания или противофазные колебания, соответствующие n = N/2 и φ = π. Этот вид колебаний не имеет дублета и, как будет показано, возникает при меньших, по сравнению с другими видами, анодных напряжениях и магнитных полях.

Колебания π-вида, как это видно из (5-2), могут возникнуть в магнетроне лишь при четном числе N. Поэтому анодные блоки многорезонаторных магнетронов обязательно содержат четное число резонаторов.

Поля в магнетроне . На рис. 5-3 показаны картины переменных электрического и магнитного полей в магнетроне при разных значениях n. Для наглядности анодный блок магнетрона изображен в развернутом виде (рис. 5-3, а). Ниже на развертках анодного блока пунктиром показаны силовые линии переменного магнитного поля для момента времени, соответствующего максимуму тока в контуре. Под развертками блока изображены кривые распределения высокочастотного потенциала вдоль поверхности анода. Силовые линии переменного электрического поля, когда ток в контуре равен нулю, показаны слева.

5-3. Взаимодействие электронов с переменным электрическим полем

Образование электронных спиц . Образование переменного по плотности электронного потока - электронных спиц - в многорезонаторном магнетроне осуществляется, как и во всех приборах типа М, за счет взаимодействия электронов с переменным неоднородным электрическим полем. Физические процессы, лежащие в основе такого взаимодействия, рассмотренные в гл. 4, справедливы и для многорезонаторного магнетрона.

В отсутствие колебаний в магнетроне электрон, покинувший катод с нулевой скоростью, движется по эпициклоидальной траектории (рис. 5-4, а). При возникновении колебаний вблизи щелей резонаторов образуются неоднородные электрические поля.

Рис. 5-4. Картины неоднородного электрического поля и траектории электронов. а - в отсутствие колебаний; б - траектория нерабочего электрона; в - траектория "рабочего" электрона

В отличие от рассмотренного в гл. 4 случая плоских электродов, движение электронов в магнетроне следует рассматривать с учетом его взаимодействия с радиальной и тангенциальной составляющими переменного электрического поля. Однако общая картина от этого не меняется. Воздействие радиальной составляющей поля аналогично влиянию поперечной составляющей в случае плоских электродов, а тангенциальная составляющая поля действует так же, как продольная. На рис. 5-4, б и в показаны картины неоднородного электрического поля, составляющие векторов напряженностей в различных точках поля и характер движения электронов для двух различных моментов времени, разделенных интервалом, равным половине периода колебаний.

В первом случае электрон, вылетевший с поверхности катода, описывая дугу эпициклоиды, оказывается в поле резонатора в тот момент, когда вектор тангенциальной составляющей поля противоположен по направлению вектору скорости электрона в верхней части витка. Суммарное электрическое поле в точке 5 характеризуется вектором ε σ 5 , отклоненным от радиального направления влево. В результате поверхность качения образующей окружности искривляется и электрон, описав виток, оказывается у поверхности катода с некоторым запасом энергии, которую он и рассеивает в виде тепла при соударении с катодом. Таким образом, большинство электронов, вылетающих с катода против резонаторов, поле которых характеризуется рассмотренной фазой, удаляются на катод. Исключение могут составить лишь те электроны, начальная скорость которых позволит им остаться в пространстве взаимодействия. Взаимодействие этих электронов с радиальной составляющей приводит к уменьшению плотности электронного потока в этой области поля. В самом деле, скорость электрона в точке 4 уменьшается, а в точке 6 - увеличивается относительно скорости центрального электрона, находящегося в точке 5 (см. § 4-2). Происходит разгруппирование электронов.

Иной характер имеет движение электронов, попадающих в противоположную фазу поля (рис. 5-4, в). Под действием радиальной составляющей электрон в точке 1 приобретает дополнительную скорость в тангенциальном направлении, а скорость электрона в точке 3 уменьшается. Электроны группируются в сгусток вокруг электрона, находящегося в точке 2. Происходит фазовая фокусировка электронного потока.

В результате сложения вектора тангенциальной составляющей неоднородного поля ε τ 2 и вектора ε постоянного электрического поля суммарный вектор ε σ 2 отклоняется вправо. Поверхность качения образующей окружности поднимается над поверхностью катода. Траекторию движения электрона можно приближенно представить как траекторию точки окружности, катящейся по некоторой криволинейной поверхности, уходящей от катода к аноду. Число "петель" в траектории и "крутизна" образующей поверхности зависят от величины анодного напряжения, магнитной индукции, а также от интенсивности переменного электрического поля.

Итак, на анод, описывая петлеобразные траектории, устремляются лишь электроны, покидающие те участки катода, против которых в данный момент времени существует тормозящее электроны переменное электрическое поле: в магнетроне образуются электронные спицы. Число таких спиц при противофазном виде колебаний равно половине числа резонаторов (см. рис. 5-2, а).

Движение электронных спиц . Поскольку через каждые полпериода знаки высокочастотных потенциалов на сегментах меняются на обратные (неоднородное поле как бы вращается вокруг оси прибора), перемещаются вслед за полем и электронные спицы. Для обеспечения нужной угловой скорости вращения спиц требуется, как мы увидим далее, определенная величина разности потенциалов между анодом и катодом. Такое синхронное с перемещением поля вращение электронных спиц обеспечивает не только непрерывное уплотнение электронов в спицах - их фазовую фокусировку, но и необходимый режим обмена энергией между электронами и сверхвысокочастотным полем.

Передача энергии от электронов полю . Электроны, образующие спицу одновременно с вращательным движением, описывая витки эпициклоиды, поднимаются от катода и постепенно уходят на анод. По мере вращения спица пополняется электронами с новых участков катода. Таким образом, электроны в спицах непрерывно перемещаются в радиальном направлении от катода к аноду. Эта составляющая движения электронов сопровождается уменьшением их потенциальной энергии.

Энергия электронов передается электромагнитному полю, взаимодействие с электрической составляющей которого и служит причиной рассмотренного движения электронов.

Для обеспечения радиального перемещения электронов, как и для вращательного движения спиц, требуются определенные величины разности потенциалов анод - катод и напряженности магнитного поля.

5-4. Рабочий режим магнетрона

В предыдущих параграфах отмечалось, что для обеспечения движения рабочих электронов по петлеобразным траекториям, их перемещения в радиальном направлении и получения нужной угловой скорости вращения спиц требуются определенные соотношения между напряженностью ε постоянного электрического поля и магнитной индукцией В. Выбор соответствующих величин ε и В и определяет рабочий режим магнетрона.

Парабола критического режима . Если анодное напряжение магнетрона больше критического, то условия передачи электронами энергии высокочастотному полю не выполняются. В самом деле, при U а > U а.кр электроны, двигаясь по криволинейным траекториям (см. рис. 4-7), устремляются к аноду. При этом высокочастотные колебания, даже если они и возникли, не могут поддерживаться за счет энергии электронов, которые не описывают петель и практически не взаимодействуют с переменным электрическим полем вблизи щелей резонаторов. Поэтому рабочие значения анодных напряжений должны лежать ниже параболы критического режима (рис. 4-6), которая описывается уравнением (4-38).

Потенциал синхронизации . Однако для нормальной работы магнетрона недостаточно движения электронов по петлеобразным траекториям. Необходимо, кроме того, добиться вращения спиц с определенной угловой частотой, синхронной с изменением фазы сверхвысокочастотных колебаний. Условие синхронизма может выполняться при различных значениях угловой скорости вращения спиц. В самом деле, при колебаниях вида π время t c движения спицы между двумя соседними резонаторами может равняться не только половине периода, но и любому целому числу полупериодов:

где p = 0, 1, 2, 3 ...

Графики движения электронов для колебаний π-вида при различных значениях р изображены пунктирными прямыми на рис. 5-5.

Рис. 5-5. Картина переменного электрического поля и графики движения электронов при колебаниях π-вида

На графике по оси ординат отложено время и под резверткой анодного блока изображены кривые распределения высокочастотного потенциала через каждые четверть периода. В течение всего времени узлы напряжения остаются в середине щелей. Во всех случаях, когда р - целое число, электроны оказываются в тормозящем поле вблизи каждого резонатора. В зависимости от р изменяется лишь угловая скорость ω 0 вращения электронов. Максимальная величина ω 0 соответствует p = 0, когда t c = T/2.

Для характеристики угловой скорости вращения электронов удобно ввести некоторый параметр k, равный числу периодов, в течение которых электрон проходит мимо всех резонаторов и возвращается к исходной точке. Тогда время движения электрона между соседними резонаторами, выраженное в долях периода Т, определится соотношением

В случае π-колебаний выражение (5-3) принимает вид:

Обобщая это соотношение и для других видов колебаний, получим:

Используя параметр k, нетрудно получить выражение угловой скорости вращения электронов для колебаний любого вида:

где λ = сТ - длина волны колебаний в магнетроне, а c - скорость света.

Для обеспечения угловой скорости вращения необходимо, чтобы электрон, находящийся в спице у поверхности анода, обладал тангенциальной скоростью

Кинетическую энергию в магнетроне электрон приобретает за счет постоянного электрического поля, определяемого разностью потенциалов U а. У поверхности анода (r = r а) наибольшее значение энергии электрона равно:

E K = eU a . (5-9)

В условиях синхронного движения энергия электрона у поверхности анода должна быть:

Приравнивая (5-9) и (5-10), получим значение анодного напряжения, необходимого для обеспечения синхронного вращения электронов:

Эта величина, называемая потенциалом синхронизации, определяет наименьшее (для заданного k) значение анодного напряжения, при котором возможно синхронное вращение электронных спиц.

Подставляя в (5-11) численные значения всех постоянных и выражая U c в вольтах, получим:

Это выражение получено в предположении, что электрон движется по окружности, соосной поверхности анода, и с радиусом, близким к величине r а. В действительности электроны движутся в магнетроне по сложным петлеобразным траекториям и тангенциальная составляющая их скорости зависит как от скорости переносного движения центра образующей окружности, так и от скорости движения самого электрона относительно этого центра.

Пороговое напряжение . Приблизившись к поверхности анода и передав полю значительную часть своей энергии, электрон должен быть удален из пространства взаимодействия. В противном случае такой отработавший, медленно движущийся электрон отстанет от спицы и отберет энергию у переменного поля. Для того чтобы отработавшие электроны попадали на анод, а также для обеспечения необходимой тангенциальной скорости электронов с учетом их движения по петлеобразным кривым требуется анодное напряжение несколько выше потенциала синхронизации U c .

На электрон, удаленный от центра магнетрона на расстояние r и вращающийся вокруг оси прибора с угловой скоростью ω 0 , действуют три силы (рис. 5-6): сила F e постоянного электрического поля направлена по радиусу к аноду; сила Лоренца F м, возникающая при пересечении электроном силовых линий магнитного поля, в соответствии с правилом правой руки, направлена к катоду; и, наконец, третья, центробежная сила F д, совпадает по направлению с силой F e .

Для того чтобы электрон достиг анода, кинетическая энергия его движения в радиальном направлении должна быть больше нуля и, следовательно, работа сил F e и F д должна быть больше или, по крайней мере, равна работе силы F м.

Из этих соображений легко определить [Л. 2] пороговое напряжение, т. е. величину наименьшего анодного напряжения, при котором отработавшие электроны удаляются на анод:

Подставляя сюда формулу (5-7) для ω 0 и выражая напряжение в вольтах, получим:

Отсюда видно, что для удовлетворения поставленных условий удаления отработавших электронов на анод анодное напряжение должно быть больше потенциала синхронизации, причем если величина U c не зависит от напряженности магнитного поля, то пороговое напряжение растет пропорционально величине В.

Диаграмма рабочего режима . Итак, мы рассмотрели ряд условий нормальной работы магнетрона и получили уравнения: для критического потенциала (4-38), для потенциала синхронизации (5-12) и для порогового анодного напряжения (5-14).

Все три эти зависимости изображены на рис. 5-7. Парабола критического режима отделяет на плоскости В - U a нерабочую область (заштрихована). При значениях В и U а для любой точки в этой области электроны в магнетроне не описывают петлеобразных траекторий и колебания отсутствуют. Величина потенциала синхронизации (5-12) не зависит от В, но изменяется в зависимости от к. На рис. 5-7 линия U c проведена лишь для режима π-колебаний (n = 4; р = 0; N = 8). Для других k = n (p = 0) потенциал синхронизации отмечен точками на параболе критического режима.

Линия порогового напряжения (5-14) при различных k(p = 0) изображаются на плоскости В - U а в виде прямых, касательных к параболе критического режима в точках, соответствующих значению потенциала синхронизации для данного вида колебаний. В справедливости этого нетрудно убедиться, если в выражение (5-14) подставить значение критического потенциала (4-38).

Таким образом, для колебаний π-вида нерабочей областью является также часть плоскости, лежащая ниже прямой порогового напряжения (k = 4). При этих значениях U a и В либо не выполняется условие синхронного движения спиц (U а

5-5. Анодный блок магнетрона

Эквивалентная схема анодного блока . Наиболее употребительные формы резонаторов магнетронов показаны на рис. 5-8, где, помимо уже известных нам, изображены также резонаторы, образованные короткозамкнутыми отрезками волноводов. Однако при любой конфигурации резонаторов анодный блок представляет собой систему сложно связанных контуров. Контуры магнетрона прежде всего связаны между собой кондуктивно, так как по поверхности сегмента анодного блока протекают токи соседних резонаторов. Помимо этого, между соседними резонаторами существует также емкостная связь через емкости, образованные сегментами анодного блока и поверхностью катода. И, наконец, соседние резонаторы связаны между собой индуктивно (силовые линии переменного магнитного поля в резонаторе замыкаются через соседние отверстия).

Преобладание того или иного вида связи определяется конструкцией анодного блока и, в частности, его высотой h. При малой величине h преобладает индуктивная связь между отдельными резонаторами, а с увеличением высоты h анодного блока все большую роль играет связь емкостная. Одна из возможных, эквивалентных схем анодного блока магнетрона с большим h представлена на рис. 5-9. Величины L 0 и С 0 - эквивалентные индуктивность и емкость резонатора соответственно. Резонаторы связаны между собой кондуктивно, а также через емкости С а-к анод - катод.

Анализ такой эквивалентной схемы показывает [Л. 2], что длина волны генерируемых колебаний зависит как от реактивных параметров, так и от числа n:

Отношение С а-к /С 0 в магнетронах обычно равно 0,1-0,4.

Зависимость (5-15) для восьмирезонаторного магнетрона показана на рис. 5-10 (кривая 1). Там же нанесена аналогичная зависимость (кривая 2), но для случая преобладания индуктивной связи в магнетроне. Из кривых видно, что колебания вида я незначительно отличаются по длине волны от колебаний соседних видов. С увеличением числа резонаторов, а следовательно, и числа n это отличие становится все меньше. Кроме того, вследствие малого отличия частоты π-колебаний от колебаний соседних видов работа магнетронного генератора может быть неустойчивой.

В результате изменения режима питания, характера нагрузки и других причин в магнетроне могут вместо π-колебаний возникнуть колебания другого вида (скачок частоты). Возможно также одновременное существование колебаний вида π и соседнего вида колебаний. Распределение высокочастотного поля при этом нарушается, условие синхронизма выполняется плохо, падают мощность и к. п. д. магнетрона. Следовательно, нельзя увеличивать число резонаторов с целью повышения мощности колебаний, что особенно важно на более коротких волнах.

Разделение видов колебаний с помощью связок . Для устранения нестабильностей в магнетронах принимаются специальные меры. Хороший эффект дают специальные связки, имеющие в простейшем случае форму колец (рис. 5-11). Одно из колец приваривается к четырем четным сегментам анодного блока, а другое - к четырем нечетным. Связки вносят в колебательную систему магнетрона дополнительные емкость и индуктивность. Вносимая емкость определяется не только размерами самих связок и их расстоянием от поверхности анодного блока, но и разностью высокочастотных потенциалов между двумя кольцами. Индуктивность зависит как от размеров самих связок, так и от токов, протекающих по связкам.

При противофазном виде колебаний каждое из колец соединяется с сегментами блока, находящимися под одинаковым потенциалом. Таким образом, разность фаз высокочастотных потенциалов двух связывающих колец равна π и емкостное действие связок весьма существенно. В то же время индуктивный эффект связок при π-колебаниях минимален, поскольку каждое кольцо приваривается к сегментам с одинаковым потенциалом, и уравнительные токи в связках близки к нулю. Следовательно, результирующее влияние связок при π-колебаниях имеет емкостный характер. Емкость, вносимая связками в резонаторы, параллельна их собственной емкости. В результате суммарная емкость увеличивается и длина волны при π-колебаниях возрастает.

При колебаниях других видов высокочастотные потенциалы сегментов, соединенных с каждым из колец, неодинаковы, и поэтому средняя разность потенциалов между связками меньше, чем при противофазных колебаниях. Вследствие этого вносимая связками емкость уменьшается, а вносимая индуктивность увеличивается, так как вследствие различия высокочастотных потенциалов двух сегментов, присоединенных к одному кольцу, в нем протекают уравнительные токи. Результирующее влияние связок носит индуктивный характер. Вносимая индуктивность параллельна собственной идуктивности резонаторов; суммарная индуктивность уменьшается, уменьшается и длина волны колебаний.

Изменение длины волны колебаний от величины n при использовании различных видов связок показано на рис. 5-10 (кривая 5 - для связок рис. 5-11, а, а кривая 4 - для связок рис. 5-11, б).

Из сравнения этих кривых с кривыми 1 и 2 видно, что применение связок позволяет значительно увеличить разность частот π-колебаний и соседнего с ним вида. Для устойчивой работы магнетрона необходимо, чтобы частота колебаний вида n = N/2-1 отличалась от частоты противофазных колебаний не менее чем на 4%. Обычно добиваются, чтобы разнос частот был порядка 10-15%.

Повышению устойчивости работы магнетрона на противофазном виде колебаний способствует также применение асимметричных связок, например колец, имеющих разрыв. Применение асимметричных связок нарушает ориентацию высокочастотных полей, возникающих при колебаниях, отличных от противофазного, и, таким образом, еще больше затрудняет их появление. Следует также отметить, что увеличение длины волны колебаний π-вида вследствие применения связок приводит к соответствующему понижению порогового напряжения, что сопровождается увеличением мощности генерируемых колебаний и к. п. д. магнетрона.

Применение связок имеет и некоторые недостатки. Так, например, высокочастотное поле, образуемое связками и не зависящее от азимутального угла, искажает в некоторой степени электрическое поле в пространстве взаимодействия и ухудшает работу магнетрона. Кроме того, введение связок увеличивает высокочастотные потери, величина которых растет с укорочением длины волны генерируемых колебаний. Для исключения этого влияния связки экранируют, размещая их в специальных канавках в анодном блоке.

Разнорезонаторный анодный блок . В магнетронах, работающих на волнах λ = 3 см и короче, используют другой метод разделения частот - разнорезонаторный анодный блок.

В разнорезонаторном анодном блоке размеры каждого второго резонатора несколько увеличиваются по сравнению с размерами в обычном анодном блоке; размеры же второй половины резонаторов уменьшаются (рис. 5-12). Получаются как бы две системы резонаторов, одна из которых настроена на короткую волну, а другая - на более длинную.

Для определения в разнорезонаторной системе длин волн колебаний, соответствующих различным значениям n, можно воспользоваться формулой (5-15), считая, что анодный блок состоит из двух различных систем: больших (h б) и малых (h м) резонаторов. При вычислении этих длин волн вместо λ 0 нужно подставлять резонансную длину волны большого или малого резонатора соответственно. Но так как число одинаковых резонаторов в системе вдвое меньше общего числа N резонаторов, то для каждой системы одинаковых резонаторов вводят свое число n", величина которого не может быть больше N/4.

На рис. 5-13 показано (кривая 3) изменение длины волны в зависимости от величины n в разнорезонаторном магнетроне (N = 18). Верхняя ветвь этой кривой, вплоть до n = 4, соответствует первой - длинноволновой группе колебаний при нулевом фазовом сдвиге между колебаниями в больших и малых резонаторах. Характер изменения длины волны здесь такой же, как и для обычного магнетрона без связок (кривая 1): с увеличением n длина волны уменьшается.

Нижняя ветвь кривой от n = 5 до n = N/2 = 9 соответствует второй - коротковолновой группе колебаний. Здесь с возрастанием n длина волны уменьшается. На рис. 5-13 приведена для сравнения также кривая 2 для магнетрона со связками.

Разнос частот при разных n зависит от соотношения h б /h м (рис. 5-12), возрастая при его увеличении. Однако при значительных величинах h б /h м усиливается влияние составляющей высокочастотного поля, не зависящей от азимутального угла и ухудшающей взаимодействие электронного потока с высокочастотным полем.

Преимущество разнорезонаторной системы перед анодным блоком со связками заключается прежде всего в том, что на величину разделения частот не влияет высота анодного блока. Кроме того, высокочастотные потери в разнорезонаторном анодном блоке значительно меньше, что позволяет повысить к. п. д. магнетрона.

5-6. Параметры и характеристики магнетронов

Многорезонаторные магнетроны, как и другие электронные приборы, характеризуются рядом параметров, обусловливающих эксплуатационный, предельный, климатический и другие режимы их работы.

Параметры электрического режима . Справочными данными, как правило, оговариваются: величины напряжения U н или тока I н накала и их допустимые отклонения, не превышающие обычно ±10%; номинальное анодное напряжение U а и допустимый верхний предел этой величины; номинальное и допустимые верхнее и нижнее значения тока I а; напряженность или индукция магнитного поля. Для магнетронов, работающих в импульсном режиме, в справочнике указывают номинальные и допустимые величины длительности импульсов анодного напряжения, их скважности и крутизны фронтов - величин, в значительной степени определяющих спектр генерируемых магнетроном колебаний.

Мощность генерируемых колебаний . Многорезонаторные магнетроны используются обычно в качестве генераторов мощных СВЧ колебаний в импульсном или непрерывном режиме. Поэтому важнейший параметр этих приборов - величина генерируемой мощности

P вых = ηI а U а, (5-61)

где η - полный к. п. д. магнетрона. Таким образом, величина Р вых зависит не только от электрического режима работы магнетрона, но и от другого важнейшего параметра - к. п. д. прибора.

Коэффициент полезного действия магнетрона определяется отношением мощности сверхвысокочастотных колебаний к мощности, подводимой к магнетрону от источника постоянного напряжения в анодной цепи.

Электроны, получая энергию от постоянного электрического поля, не полностью передают ее высокочастотному полю резонаторов. Некоторые электроны вообще не участвуют в механизме передачи энергии, так как в самом начале, получив дополнительное ускорение, возвращаются обратно на катод и нагревают его, отдавая при соударении с его поверхностью оставшуюся энергию. Рабочие электроны, образующие спицы и многократно взаимодействующие с высокочастотным полем, в большинстве случаев достигают анода, не израсходовав полностью своей энергии, и передают ее остаток аноду, нагревая его при соударении. Таким образом, часть энергии, полученной электронами от постоянного электрического поля, расходуется бесполезно. Этот расход энергии называют электронными потерями. Отношение энергии, полученной высокочастотным полем от электронного потока, к полной энергии, сообщенной электронам постоянным электрическим полем, называется электронным к. п. д. магнетрона η эл. Эта величина характеризует эффективность взаимодействия электронного потока с переменным электрическим полем. Энергия высокочастотных колебаний расходуется также и в самих резонаторах (на восполнение потерь, обусловленных активным сопротивлением), в устройствах вывода энергии, в диэлектриках и т. п. Эти потери определяются к. п. д. колебательной системы η к. Коэффициент полезного действия магнетрона, таким образом, равен:

η = η эл η к. (5-17)

Величина электронного к. п. д. магнетрона существенным образом зависит от режима его работы. Для определения η эл необходимо знать не только энергию, получаемую электроном от постоянного электрического поля, но также величину неизрасходованной электроном энергии (кинетическую энергию, с которой электрон достигает анода). Для выполнения условий синхронизма электрон должен двигаться у поверхности анода со скоростью, не меньшей U c . Поэтому кинетическая энергия электрона, достигающего анода, не может быть меньше eU c . Следовательно, электронный к. п. д. магнетрона равен:

Однако рассчитанный по этой формуле электронный к. п. д. оказывается выше экспериментальной величины η эл. Объясняется это тем, что кинетическая энергия электрона, попадающего на анод, в действительности значительно больше величины eU c . Электроны движутся в пространстве взаимодействия, описывая петлеобразные траектории. Если анодное напряжение близко к пороговому напряжению, то электроны медленно поднимаются от катода к аноду и попадают на анод, находясь, как правило, в вершине "петли". Если тангенциальная скорость движения оси образующей окружности равна (из условия синхронизма) U с, то тангенциальная скорость движения электрона относительно катода примерно в 2 раза больше, а его кинетическая энергия - в 4 раза больше принятой величины. В рабочем режиме анодное напряжение в магнетроне обычно больше величины U п и электроны поднимаются к аноду по более крутой петлеобразной траектории. Они могут достигать анода как на вершине петли, так и у ее начала, где скорость электрона близка к нулю. Поэтому среднее значение кинетической энергии у поверхности примерно в 2 раза больше величины eU c . Величина электронного к. п. д. в современных многорезонаторных магнетронах достигает величины 50-70% и более.

Рабочая длина волны λ 0 или рабочая частота колебаний ω 0 определяется, как это было показано в § 5-5, параметрами резонаторов и конструкцией анодного блока. В многорезонаторных магнетронах обычной конструкции изменение рабочей частоты в небольших пределах может быть получено с помощью специальных устройств, изменяющих емкость или индуктивность резонаторов (см далее § 5-7).

При конструировании генераторных устройств на многорезонаторных магнетронах особое внимание уделяется стабилизации частоты колебаний. С этой целью, как уже было сказано выше, используются связки, применяются разно-резонаторные анодные блоки и др. Однако рабочая частота магнетрона существенным образом зависит от характера нагрузки и способа ее подключения к магнетрону. Степень изменения частоты под влиянием нагрузки характеризуют такими параметрами, как электронное смещение частоты, затягивание частоты и др. Наиболее полно эти явления отображаются так называемой нагрузочной характеристикой магнетрона. Подробно работа магнетрона в реальных условиях рассматривается в курсе "Радиопередающие устройства", и поэтому обсуждение этих вопросов выходит за рамки настоящей книги.

Рабочие характеристики магнетронов . В качестве рабочих характеристик магнетронов приняты зависимости U a = f(I a) при постоянных величинах В, Р вых, η и ω 0 . Обычно линии постоянных значений В, Р вых и η изображаются на одном графике в координатах I а - U a . Эти семейства кривых и называют рабочими характеристиками многорезонаторных магнетронов.

На рис. 5-14 показаны рабочие характеристики магнетрона со следующими параметрами: рабочий режим - импульсный, число резонаторов N = 8, радиус катода r к = 0,3 см, радиус анода r а = 0,8 см, высота анодного блока h = 2 см, частота (в режиме π-колебаний) f = 2800 Мгц, рабочее анодное напряжение U а = 16 кв, напряженность магнитного поля в рабочем режиме H = 128000 а/м, рабочий анодный ток (в импульсе) I а = 20 а, к. п. д. η = 42%, генерируемая мощность (в импульсе) Р вых = 35 квт.

При малых анодных напряжениях и соответственно меньших В к. п. д. магнетрона невелик. Поэтому использование низких анодных напряжений не имеет смысла. Значительное увеличение анодного напряжения, хотя и сопровождается некоторым ростом к. п. д. и генерируемой мощности, требует, кроме того, повышения напряженности магнитного поля. Работа с очень большими значениями U a и В встречает серьезные технические затруднения; они не оправдываются повышением к. п. д., который при увеличении U a растет сначала быстро, а затем медленно.

При малых анодных токах магнетрон работает неустойчиво. Большая часть электронов возвращается на катод, к. п. д. и генерируемая мощность невелеки. Чрезмерное увеличение тока также нежелательно, так как при этом сильно разогревается анодный блок, катод работает с перегрузкой и требуется дальнейшее повышение U a .

Вследствие указанных причин для каждого типа магнетрона существуют рабочие пределы изменений U a и I а. Другие параметры (В, η, Р вых) при выбранных значениях анодного напряжения и тока однозначно определяются рабочими характеристиками.

Рассмотрим семейство кривых В = const. При заданной величине В и при повышении U a анодный ток вначале мал и растет медленно. Эта часть кривых соответствует анодным напряжениям ниже порогового. Большинство электронов не попадает на анод, а под действием силы F м возвращаются на катод. При дальнейшем увеличении U a анодный ток резко увеличивается и кривые U a = f(I a) представляют собой отрезки почти прямых линий, образующих с осью абсцисс небольшой угол. Эта рабочая часть характеристик соответствует значениям U a > U п.

С увеличением В для получения той же величины I a требуются большие значения анодного напряжения, причем, как это видно из рис. 5-14, одинаковые приращения В требуют и одинаковых приращений U a (линии В = const при равных приращениях В расположены на одном и том же расстоянии друг от друга). Иными словами, анодное напряжение пропорционально напряженности магнитного поля, что полностью согласуется с формулой (5-14) для порогового напряжения. Величину U п здесь легко определить графически, продолжив линейную часть характеристик B = const до пересечения с осью ординат.

Кривые второго семейства (P выx = const) имеют гиперболический характер. Колебательная мощность в магнетроне определяется выражением Р вых = ηI а U а. Коэффициент полезного действия меняется в зависимости от I а и U a . Поэтому линии P выx = const не являются правильными гиперболами.

На рис. 5-14 видно, что I а = const и при увеличении U a к. п. д. магнетрона увеличивается. Это объясняется главным образом тем, что увеличение U a и В сопровождается уменьшением радиуса образующей окружности и, следовательно снижением скорости, с которой электроны попадают на анод. С увеличением анодного тока (при В = const) η сначала несколько увеличивается, а затем снижается.

Небольшая величина η при очень малых анодных токах объясняется большими электронными потерями. Кроме того, вследствие малой интенсивности колебаний в резонаторах фокусирующее действие переменного электрического поля незначительно. Электроны плохо группируются в спицы, и условие синхронизма выполняется лишь для небольшой части электронов. При некотором увеличении I а к. п. д. возрастает, так как влияние указанных причин ослабляется. Дальнейшее увеличение тока сопровождается падением η за счет увеличения радиальной составляющей кинетической энергии у анода, а также вследствие взаимного расталкивания электронов в спицах.

5-7. Особенности конструкции многорезонаторных магнетронов

Условия работы магнетрона отличаются от условий работы не только обычных электронных ламп, но и других СВЧ приборов. Значительная часть электронов, эмиттируемых катодом, возвращается обратно. Эти электроны, попадая на катод с некоторым запасом кинетической энергии, разогревают его и вызывают с поверхности катода дополнительную вторичную эмиссию. На катоде выделяется около 5% всей мощности, рассеиваемой в магнетроне. Поток электронов, образуемый за счет вторичной эмиссии, составляет значительную часть электронов потока, эмиттируемого катодом. Величина вторично-эмиссионного тока такова, что магнетроны обычно продолжают нормально работать, если после их включения разомкнуть цепь накала. Поэтому катод магнетрона должен обеспечить значительную термоэлектронную эмиссию только в момент его включения. К особенностям работы катода в магнетроне следует отнести также сильное электрическое поле, так как обычно потенциал анода равен нескольким киловольтам, а в мощных магнетронах - десяткам киловольт, в то время как расстояния анод - катод не превышают нескольких сантиметров.

Катод в магнетроне должен обеспечить термоэмиссионный ток большой плотности. Он должен, кроме того, быть стойким к перегреву и действию сильных электрических полей, а также сохранять постоянство эмиссии во времени.

Наиболее часто в магнетронах используются подогревные оксидные катоды, которые позволяют получить плотность тока до 40 а/см 2 и способны работать в электрических полях до 70 кв/см. Коэффициент вторичной эмиссии этих катодов достигает нескольких десятков. В магнетронах применяют также вольфрамо-ториевые катоды, спекаемые из порошка, содержащего 96% вольфрама и 4% окиси тория. Эти катоды очень прочны, стойки к отравлению газами и после искрения восстанавливают первоначальную эмиссию. Камерные металлогубчатые и пропитанные катоды могут обеспечить ток плотностью до 80 а/см 2 и устойчиво работают при напряжениях до 20 кв.

Важную роль в работе магнетрона играет постоянное магнитное поле. Для получения высокого к. п. д. индукция магнитного поля должна быть порядка 0,3-0,6 вб/м 2 . Такое сильное магнитное поле создают мощные постоянные магниты специальной формы (рис. 5-15). В тех случаях, когда требуются особенно сильные магнитные поля, применяются пакетные магнетроны, у которых полюсные наконечники из ферромагнитного материала служат торцовыми стенками анодного блока. В пакетных магнетронах значительно сокращен воздушный промежуток между полюсами, что позволяет повысить напряженность магнитного поля или же уменьшить вес и габариты постоянного магнита, который обычно значительно тяжелее и больше по размерам самого магнетрона.

Частоту колебаний в магнетроне можно перестроить за счет изменения индуктивности или емкости колебательной системы с помощью металлических штырей - плунжеров, погружаемых в отверстия резонаторов, либо с помощью специальных металлических колец, расположенных в пазах на торцовой поверхности блока. Оба эти метода позволяют изменять частоту магнетрона не более чем на 5-7% от резонансной частоты. При большем отклонении частоты от среднего значения ухудшаются условия отделения противофазного вида колебаний от соседних видов.

5-8. Митрон

Определение . Митроном называют перестраиваемый по частоте прибор, работающий по принципу многорезонаторного магнетрона, но отличающийся от него устройством колебательной системы и эмиттирующего электроны катода.

Устройство митрона схематически показано на рис. 5-16, а. Анодный блок представляет собой систему (рис. 5-16, б) в виде двух дисков с рядом направленных навстречу друг другу штырей (сегментов). В центре пространства взаимодействия помещается металлический цилиндр, не предназначенный, в отличие от многорезонаторного магнетрона, для эмиссии электронов. Этот цилиндр, называемый холодным катодом или отрицательным электродом, вместе со штырями образует колебательную систему. Катод, в виде вольфрамовой спирали, эмиттирующий электроны, вынесен из пространства взаимодействия и окружен управляющим электродом в виде усеченного конуса с отверстием посредине. С помощью дисковых выводов анодный блок соединяется с внешней колебательной системой, конфигурация которой может быть различной. На рис. 5-16, в показана колебательная система в виде короткозамкнутого отрезка волновода, длина которого может изменяться с помощью короткозамыкающего поршня. Другая часть волновода представляет собой трансформатор волнового сопротивления, через который к митрону подключается фидер, идущий к нагрузке.

Дисковые выводы холодного катода, управляющего электрода и анодного блока электрически разделяются керамическими цилиндрами.

Магнитное поле, вектор напряженности которого параллелен оси прибора, как и в магнетроне, создается внешними магнитами.

Анодная колебательная система обычно заземляется, на катод подается отрицательное напряжение, а на управляющий электрод - тоже отрицательное напряжение, но несколько меньшей величины, так что между катодом и этим электродом существует ускоряющее поле.

Принцип действия митрона практически тождествен принципу работы многорезонаторного магнетрона. Митрон тоже работает, как правило, в режиже π-колебаний; так же как и в магнетроне, в пространстве взаимодействия формируются электронные спицы, вращающиеся синхронно с высокочастотным полем, протекают те же процессы энергетического взаимодействия электронов с полем, при которых они отдают волне потенциальную энергию.

Отличие заключается в несколько ином, нежели в магнетроне, электрическом режиме, который обеспечивается вынесенным из пространства взаимодействия эмиттирующим катодом и использованием дополнительной внешней низкодобротной колебательной системы. Эти отличия обусловливают возможность электронного управления частотой колебаний при изменении анодного напряжения. Поэтому митрон иногда в литературе называют магнетроном, настраиваемым напряжением.

В митроне, по сравнению с магнетроном, существенно уменьшена добротность Q колебательной системы. Это достигнуто за счет использования замедляющей системы типа встречных штырей, системы более широкополосной, чем замкнутая цепочка объемных резонаторов в магнетроне, а также подключением внешней колебательной системы, например в виде отрезка волновода. Уменьшение Q естественно сопровождается снижением уровня энергии, запасаемой в контуре, а следовательно, уменьшением амплитуды высокочастотных колебаний и, что особенно существенно, уменьшением реактивной составляющей тока контура. Вполне понятно, что уменьшение амплитуды высокочастотного поля в контуре, т. е. в зазоре между штырями требует снижения плотности объемного заряда в пространстве взаимодействия, так как в противном случае процесс формирования и фазовой фокусировки спиц будет неэффективным. В митроне уменьшение объемного заряда в пространстве взаимодействия достигается, главным образом, за счет конструкции катодного узла. Число электронов, попадающих в пространство взаимодействия, регулируется потенциалом U у.э управляющего электрода. Экспериментальные исследования показали [Л. 7], что при снижении плотности объемного заряда степень модуляции электронного потока по плотности возрастает. Иначе говоря, уменьшение числа электронов, поступающих в пространство взаимодействия, приводит в основном к снижению числа нерабочих электронов; плотность же объемного заряда в спицах уменьшается значительно меньше. Оптимальный режим работы митрона достигается в том случае, когда величина анодного тока равна примерно одной трети от тока, обусловленного поступлением электронов через отверстие в управляющем электроде.

Очень важно, что при таком режиме образования объемного заряда в пространстве взаимодействия величина анодного тока оказывается ограниченной. Иными словами, увеличение анодного напряжения не может привести к существенному росту анодного тока.

С изменением величины анодного напряжения в митроне, как и в магнетроне, нарушаются условия синхронизации вращения сверхвысокочастотного поля и электронных спиц. Появляется сдвиг фаз между электрическим полем и электронным током, возникает реактивная электронная проводимость. Для выполнения баланса фаз при новом значении U a реактивная проводимость резонатора также должна измениться. Это изменение, естественно, повлечет за собой изменение частоты колебаний. Но в магнетроне, где в силу высокой добротности реактивный ток резонатора значительно больше реактивной составляющей электронного тока, это изменение частоты невелико. В митроне же с низкодобротной колебательной системой изменение частоты оказывается значительным.

Кроме того, в силу ограничения тока в митроне изменение анодного напряжения и частоты колебаний не сопровождается, как это было в магнетроне (см. рис. 5-14), резким изменением мощности.

Рабочие характеристики и параметры . В качестве основных характеристик митрона используются зависимости Pвыx = f(U а); I а = φ(U а) и ω = ψ(U a) (рис. 5-17).

Ширина полосы Δω электронной перестройки частоты зависит от конструкции прибора и может изменяться для митронов разных типов от 15% относительно средней рабочей частоты до октавы (ω макс /ω мин ≈ 2) и более. Расширение полосы Δω неизбежно сопровождается уменьшением выходной мощности P вых и к. п. д.

Так, в относительно узкополосных митронах величина выходной мощности измеряется единицами или десятками ватт при изменении значения Р вых в диапазоне перестройки частоты не более чем на 2-3 дб и к. п. д. до 40%.

При расширении полосы Δω до октавы выходная мощность уменьшается до 0,5-3 вт, а к. п. д. снижается до 15-25%.

Величина выходной мощности в митроне может регулироваться с помощью напряжения U y.э на управляющем электроде. Однако с увеличением U y.э неизбежно меняется и частота генерируемых колебании (рис. 5-18).

Степень изменения частоты при изменении напряжении U а и U y.э не различна. Крутизна S кривой ω = ψ(U a) составляет 0,5-5 мгц/в, а крутизна S y.э не превышает 0,9 мгц/в. Митроны используются, главным образом, в качестве маломощных гетеродинов. По уровню собственных шумов они в настоящее время уступают отражательным клистронам и лампам обратной волны типа O.

Чтобы сузить результаты поисковой выдачи, можно уточнить запрос, указав поля, по которым производить поиск. Список полей представлен выше. Например:

Можно искать по нескольким полям одновременно:

Логически операторы

По умолчанию используется оператор AND .
Оператор AND означает, что документ должен соответствовать всем элементам в группе:

исследование разработка

Оператор OR означает, что документ должен соответствовать одному из значений в группе:

исследование OR разработка

Оператор NOT исключает документы, содержащие данный элемент:

исследование NOT разработка

Тип поиска

При написании запроса можно указывать способ, по которому фраза будет искаться. Поддерживается четыре метода: поиск с учетом морфологии, без морфологии, поиск префикса, поиск фразы.
По-умолчанию, поиск производится с учетом морфологии.
Для поиска без морфологии, перед словами в фразе достаточно поставить знак "доллар":

$ исследование $ развития

Для поиска префикса нужно поставить звездочку после запроса:

исследование*

Для поиска фразы нужно заключить запрос в двойные кавычки:

" исследование и разработка"

Поиск по синонимам

Для включения в результаты поиска синонимов слова нужно поставить решётку "# " перед словом или перед выражением в скобках.
В применении к одному слову для него будет найдено до трёх синонимов.
В применении к выражению в скобках к каждому слову будет добавлен синоним, если он был найден.
Не сочетается с поиском без морфологии, поиском по префиксу или поиском по фразе.

# исследование

Группировка

Для того, чтобы сгруппировать поисковые фразы нужно использовать скобки. Это позволяет управлять булевой логикой запроса.
Например, нужно составить запрос: найти документы у которых автор Иванов или Петров, и заглавие содержит слова исследование или разработка:

Приблизительный поиск слова

Для приблизительного поиска нужно поставить тильду "~ " в конце слова из фразы. Например:

бром~

При поиске будут найдены такие слова, как "бром", "ром", "пром" и т.д.
Можно дополнительно указать максимальное количество возможных правок: 0, 1 или 2. Например:

бром~1

По умолчанию допускается 2 правки.

Критерий близости

Для поиска по критерию близости, нужно поставить тильду "~ " в конце фразы. Например, для того, чтобы найти документы со словами исследование и разработка в пределах 2 слов, используйте следующий запрос:

" исследование разработка"~2

Релевантность выражений

Для изменения релевантности отдельных выражений в поиске используйте знак "^ " в конце выражения, после чего укажите уровень релевантности этого выражения по отношению к остальным.
Чем выше уровень, тем более релевантно данное выражение.
Например, в данном выражении слово "исследование" в четыре раза релевантнее слова "разработка":

исследование^4 разработка

По умолчанию, уровень равен 1. Допустимые значения - положительное вещественное число.

Поиск в интервале

Для указания интервала, в котором должно находиться значение какого-то поля, следует указать в скобках граничные значения, разделенные оператором TO .
Будет произведена лексикографическая сортировка.

Такой запрос вернёт результаты с автором, начиная от Иванова и заканчивая Петровым, но Иванов и Петров не будут включены в результат.
Для того, чтобы включить значение в интервал, используйте квадратные скобки. Для исключения значения используйте фигурные скобки.