Рис. 2.19. Лампа обратной волны типа М замкнутой конструкции (карсиротрон):
1 – анод; 2 – коллектор; 3 – катод; 4 – основание (ложный катод); 5 – электронный поток; 6 – замедляющая система; 7 – корпус
2.6.7. Магнетроны
Если замедляющую систему ЛБВ типа М не только свернуть в кольцо, но и замкнуть на себя, её свойства существенно изменятся. В ограниченном
со всех сторон объёме возможно существование стоячей волны только при определённых дискретных значениях частоты. Система становится резонансной и узкополосной. Её можно рассматривать как набор связанных между собой резонаторов. Схемы таких колебательных систем изображены на рис. 2.20. Они различаются формой и числом отдельных резонаторов, расположенных в общем блоке.
Колебательные системы, изображённые на рис. 2.20, используются в широко распространённых приборах сверхвысоких частот – многорезонаторных магнетронах (рис. 2.21).
а)
б)
в)
Рис. 2.20. Типы колебательных систем магнетрона
37
Рис. 2.21. Схема многорезонаторного магнетрона: 1 – анод; 2 – резонаторы; 3 – катод; 4 – петля связи
Многорезонаторный магнетрон образован анодным блоком, представляющим собой замкнутую замедляющую систему, и коаксиальным анодному блоку катодом. Статическое магнитное поле, создаваемое специальным магнитом (или электромагнитом), направлено вдоль оси прибора перпендикулярно радиальному статическому электрическому полю. Таким образом, магнетрон относится к приборам типа М, работающим в скрещенных электрическом и магнитном полях.
2.6.8. Статический режим работы магнетрона
Рассмотрим работу магнетрона при отсутствии высокочастотного поля в пространстве взаимодействия. Анодный блок будем считать гладким цилиндром. Зафиксируем анодное напряжение U0 и будем менять магнитную индукцию B (рис. 2.22).
АIа
|
|
Н=0 |
|
|
К |
|
Н1 |
|
|
|
|
|
||
Н3 |
Н2 |
Нкр |
Н |
|
Н1< Н2< Н3 |
||||
|
|
|||
а) |
|
б) |
|
|
Рис. 2.22. Траектории движения электронов (а) при различных
напряжённостях магнитного поля и зависимость анодного тока от напряженности магнитного поля (б)
38
Рост магнитного поля приводит к возрастающему искривлению траектории электронов. При B = Bкр радиус кривизны траекторий электронов становится равным разности радиусов анодного блока и катода. Электроны перестают достигать анода. Происходит "отсечка" анодного тока. В реальных магнетронах анодный ток в области В ~ Вкр изменяется очень резко, но не скачкообразно вследствие начального разброса скоростей электронов и несовершенства изготовления системы.
2.6.9. Динамический режим работы магнетрона
Пусть в пространстве взаимодействия между катодом и анодным блоком возбуждено высокочастотное поле. Определим условие синхронизма между электронным потоком и полем колебательной системы. За время tо
прохождения волны между соседними резонаторами фаза колебаний изменится на τо. Если общее число резонаторов N, а номер колебания n, можно записать:
t |
|
= |
τ0 |
×T , |
(2.12) |
|
2p |
||||
|
0 |
|
n |
|
где Tn = 1/fn – период колебания.
Положим, что средняя длина окружности пространства взаимодействия равна l = p (ra – rк) . Отсюда получаем фазовую скорость волны:
V = |
l |
= |
p × (ra - rк ) |
× f |
n |
. |
(2.13) |
|
|
||||||
ф |
N × t0 |
|
n |
|
|
||
|
|
|
|
|
|||
Электрон, попадающий в скрещенное электрическое (E0) и магнитное поле (B) со скоростью V = E0/B, в плоской системе движется прямолинейно.
В случае коаксиальной системы соответствующей траекторией электрона будет окружность. Таким образом, определив среднюю скорость электрона в
виде: |
Eν |
|
U0 |
|
|
|
V = |
» |
, |
(2.14) |
|||
|
|
|||||
e |
B |
B( ra - rк ) |
|
|||
|
|
|||||
получим следующее условие синхронизма электронного потока и волны:
V = V = |
U0 |
|
= |
π( ra − rк ) |
× f |
n |
|
|||||
|
|
|
||||||||||
|
e |
|
|
ф |
B( ra - rк ) |
|
n |
|
||||
|
|
|
|
|
|
. |
(2.15) |
|||||
U |
|
|
p( r |
- r |
)2 |
|
|
|
|
|||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
= |
a |
к |
× fn |
|
|
|
|
|
||
|
B |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
||
Пусть режим работы |
магнетрона |
выбран так, чтобы |
обеспечить |
|||||||||
синхронизм электронного потока с волной при противофазном типе колебаний. Характер высокочастотного электрического поля для этого типа колебаний показан на рис. 2.23. Электрическое поле в пространстве взаимодействия имеет как азимутальную E, так и радиальную составляющие (Er). Их воздействие на электронный поток, движущийся по окружности пространства взаимодействия, способствует образованию сгустков,
39
обеспечивающих нужное взаимодействие электронного потока с волной. Электроны группируются в сгустки в результате двух процессов:
первоначальной сортировки электронов на первой петле эпициклоиды и фокусировки сгустков.
а)
б)
Рис. 2.23. Траектории движения электронов в пролётном пространстве магнетрона при наличии СВЧ-поля:
а) – электрон приобретает энергию от поля; б) – электрон передает
энергию полю
Если ускоренный статическим полем Eо электрон на вершине эпициклоиды попадает в ускоряющее азимутальное поле, он, получая добавочную энергию, возвращается к катоду и отдает ему свою приобретенную в высокочастотном поле энергию. Таким образом, электроны "неправильной фазы" автоматически удаляются из пространства взаимодействия (траектория Т, на рис. 2.23).
Электроны "правильной" фазы, попадающие в тормозящее азимутальное высокочастотное поле, отдают ему часть своей энергии в процессе движения по первой петле эпициклоиды. Скорость электрона уменьшается и он не доходит до катода (траектория Т2, рис. 2.23). При
выполнении условия синхронизма электроны и далее описывают петли эпициклоиды, всё более удаляясь от катода. Средняя азимутальная скорость
электрона при взаимодействии с высокочастотным полем остаётся постоянной. Полю передаётся только потенциальная энергия электрона за счёт постепенного его смещения в сторону анода. Первоначальная
сортировка электронного потока под действием азимутальной составляющей поля приводит к тому, что в пространстве взаимодействия остаются только электроны "правильной" фазы, способные отдавать энергию полю. Бомбардировка катода электронами "неправильной" фазы вызывает
40
вторичную электронную эмиссию и дополнительный разогрев катода.
Образующиеся в пространстве взаимодействия электронные сгустки дополнительно фокусируются в азимутальном направлении под действием радиальной составляющей высокочастотного поля. В плоскости А (рис. 2.23) существует наиболее сильное азимутальное поле. Радиальная составляющая поля в этой плоскости равна нулю, так что азимутальная скорость электронов равна V = E0/B. Электроны, находящиеся сзади плоскости А,
испытывают добавочное ускоряющее действие радиальной составляющей высокочастотного поля. Их скорость возрастает и они догоняют электроны, находящиеся в плоскости А. Аналогично, электроны, находящиеся впереди плоскости А, тормозятся радиальным полем и также сближаются с электронами плоскости А.
В результате фокусировки электронные сгустки принимают форму "спиц", вращающихся синхронно с рабочей гармоникой волны (рис. 2.24.).
Число "спиц" определяется видом колебаний. Их взаимодействие с бегущей волной приводит к возрастанию амплитуды волны. Наличие
сильной обратной связи в замкнутой колебательной системе приводит к установлению в магнетроне режима автоколебаний.
Первоначальные слабые переменные электромагнитные поля возникают в колебательной системе магнетрона вследствие флуктуационных движений электронов. Вывод энергии при установившемся режиме автоколебаний производится петлёй связи, расположенной в одном из резонаторов. В магнетронах, как и во всех приборах типа М, высокочастотному полю отдаётся потенциальная, а не кинетическая энергия электронов (в отличие от приборов типа О).
Рис. 2.24. Формирование сгустков электронов (электронных спиц) в
пролетном пространстве магнетрона
Так как потенциальная энергия, определяемая величиной статического электрического поля, может быть сделана много большей кинетической энергии электронов, необходимой для выполнения условия синхронизма, в приборах типа М достигается высокий КПД.
41