Микроволновые приборы и устройства

171

Разделение видов колебаний по частоте очень важно для стабильной работы магнетрона. Работа магнетрона на π-виде не сопровождается скачкообразным переходом на другие виды, если частота ближайшего к нему вида колебания отличается не менее чем на 3 %. Из рис. 7.8 следует, что ближайший к π-колебанию вид 3π4 отличается по частоте примерно на 3 %. Для увеличе-

ния разделения частот при N > 10 необходима большая связь между контурами. С этой целью в магнетроне применяются так называемые связки (рис. 7.9, а, в).

в)

Рис. 7.9 — Методы разделения вида колебаний в магнетроне

Они представляют металлические кольца — шины, располагаемые на торцах анодного блока, которые соединяют эквипотенциальные для π-вида сегменты через один (рис. 7.9, в). В магнетронах СМВ и ММВ используется иной способ разделения частот — разнорезонаторные анодные блоки (рис. 7.9, б). При этом собственные частоты системы распадаются на две группы (рис. 7.10, б), соответствующие «длинноволновым» и «коротковолновым» резонаторам. Выбором размеров удается частоту π- вида расположить между обеими группами и обеспечить требующееся разделение частот. На рис. 7.10, а, б приведены зависимости длин волн видов колебаний анодных блоков магнетронов разных способов разделения.

Разделение частот может быть оценено с помощью соотношения [4]

172

Рис. 7.10. Зависимости длины волны для разных видов колебаний (n — целое число) анодных блоков магнетронов 10-сантиметрового диапазона:

а — резонаторный блок при N = 8: кривая 1 — блок без связок, кривая 2 — тот же блок с двойными и двухсторонними связками;

б— разнорезонаторный блок, N = 20

Вслучае анодных блоков со связками используется формула

h — высота анодного блока; rсв — радиус шины связок;

CΣ = C0 +C1 +Cсв .

7.4Формирование электронных сгустков. Условие синхронизма в магнетроне

Высокочастотное поле ЗС в магнетрона представляет бегущую со скоростью υф волну. С другой стороны, облако электро-

нов вращается вокруг катода со скоростью υц

Взаимодействие электронов с полем происходит при выполнении условия равенства скоростей υф = υ0 = υц .

174

• электрон типа 1 движется вдоль анодного блока, не изменяя своего направления, но уменьшенное поле EΣ уменьшает ско-

рость центра катящего круга (электрона). В результате электрон типа 1 начинает отставать от волны и постепенно смещается назад, по направлению к предыдущему электрону типа 4;

•для электрона типа 3 результирующее электрическое поле

несколько увеличивается на величину Er. Поэтому электрон типа 3 будет двигаться вдоль анодного блока вперед и быстрее волны

иприближаться к электрону типа 4;

•электрон типа 4 движется в электрическом суммарном

поле EΣ, имеющем некоторый угол наклона, направляющий этот электрон в сторону анода. К тому же электрон типа 4 является «благоприятным» для поддержания автоколебаний, т.к. движется в тормозящем переменном поле и может отдавать свою энергию;

•электроны 1 и 3, примкнувшие к электрону типа 4, также становятся «благоприятными» для отбора энергии и генерации;

•электрон типа 2, после выхода из катода, подвергается действию ускоряющего тангенциального поля, но плоскость, по которой он должен катиться, наклонена к катоду, поэтому он туда и скатывается как «неблагоприятный».

Таким образом, происходит сортировка электронов на благоприятные и неблагоприятные, в результате которой образуются сгустки относительно тех электронов, которые начали свое движение в максимуме тормозящего тангенциального поля. Модуляция электронного потока по плотности происходит автоматически, без участия какого-либо внешнего управляющего устройства.

Основную роль в группировке электронов в магнетроне иг-

рает радиальная Er составляющая. Роль тангенциальной составляющей сводится к отбору энергии от электронов. В пределах длины волны Λ есть два участка: на одном тангенциальная ком-

понента электрического поля Еτ ускоряет электроны, а на другом тормозит. Ускоряющиеся электроны, отбирая мощность от поля, увеличивают собственную энергию и удаляются на катод. Тормозящиеся электроны, отдавая энергию полю, уменьшают запас собственной энергии и приближаются к аноду. Поскольку соблюдается синхронизм, то процесс передачи энергии полю про-

175

должается до тех пор, пока электрон не попадет на анод. При этом он совершит перемещение по нескольким петлям циклоиды.

В результате такого процесса вращающееся электронное облако деформируется: в областях, где существует тормозящее поле для электронов, они поднимаются к аноду, образуя «спицы» (рис. 7.13). Число спиц равно числу n периодов на длине пространства взаимодействия, т.е. N/2 для π- вида.

Описанная качественная картина взаимодействия электронов с полем позволяет

отметить ряд важных моментов.

Хотя количество ускоряемых и тормозящихся электронов, участвующих во взаимодействии с полем, примерно одинаково, электромагнитная волна получает больше энергии, чем теряет при ускорении электронов. Объясняется это тем, что электронное облако находится вблизи катода. Энергия, отбираемая от поля, пропорциональна изменению потенциальной энергии электрона при движении его к катоду, а отдаваемая полю — при движении к аноду. В итоге, баланс на стороне энергии, передаваемой полю. Скорость электронов в спице постоянна и равна фазовой, причем, поднимаясь к аноду, электрон не выходит из синхронизма скоростей и отдает полю почти всю свою потенциальную энергию.

Условие самовозбуждения магнетрона вытекает из условия синхронизма vф = v0 . Фазовая скорость, согласно (7.10), для сред-

ния можно записать на основной гармонике m = 0 в виде:

Таким образом, при постоянной частоте между Uа и В наблюдается прямая пропорциональность, а коэффициент пропорциональности зависит от вида колебаний и геометрии анодного блока. На выбор Uа и В соотношением (7.6) также наложено ограничение. На рис. 7.4 нанесены по (7.15) прямые линии условия

176

самовозбуждения (синхронизма скоростей) при разных n для восьмирезонаторного магнетрона. Из рисунка видно, что колебанию π-вида требуется наименьшее анодное напряжение, что является еще одним его преимуществом. Небольшие отклонения Uа или В от значения, предписанного (7.15), вызывают отклонение частоты генерации от ωn т.е. электронную перестройку частоты. Однако из-за узкополосности резонаторов большие отклонения частоты приводят к срыву генерации.

Соотношение (7.15) поясняет, почему магнетроны миллиметрового диапазона имеют большее число резонаторов (до 40—50), чем магнетроны сантиметрового (в трехсантиметровом 12—18, в десятисантиметровом 8—12). Действительно, если величина Uа ограничена, то для повышения частоты надо уменьшать радиус анода и увеличивать количество резонаторов ( N = 2n для π-вида).

Следует отметить, что в магнетронах миллиметрового диапазона применяют иногда взаимодействие не на основной волне ЗС, а на пространственной гармонике. Фазовая скорость первой пространственной гармоники в три раза (для π-вида) ниже, чем основной волны (см. п. 7.3), что позволяет не повышать чрезмерно анодное напряжение.

7.5 Электронный КПД магнетрона

Выражение для КПД запишем через потребляемую W0 и рассеиваемую на аноде энергию Wрас: ηэ =1−Wрас W0 . Будем учитывать в Wрас лишь те потери, которые связаны с попаданием

на анод электронов, участвовавших в энергообмене. Полагаем, что на анод они попадают с вершины циклоиды, где скорость электронов равна vp = 2v0 . Тогда полная потенциальная энергия равна

eUa , а рассеиваемая при ударе кинетическая Wрас = mv2p 2 = 2mv02 . Выражение для КПД, без учета потерь энергии вернувшихся электронов на катоде, записывается в следующем виде:

Если из условия (7.15) выделить Uа/В и подставить в (7.16), то получим:

177

(n = N2) наибольший по сравнению с остальными колебаниями.

На фиксированной рабочей частоте КПД растет с увеличением индукции В, приближаясь к единице. Реальные КПД достигают 60—75 %. Предел увеличению КПД устанавливают два фактора: невозможность создания сильных магнитных полей и электрическая прочность, поскольку с ростом B нужно увеличивать Ua, согласно условию синхронизма скоростей (7.15). Объяснить рост КПД с увеличением индукции можно на основе (7.16) тем, что уменьшается радиус циклоиды, определяющий ту долю энергии электрона, которая рассеивается при ударе об анод.

Отметим, в мощных приборах после начала генерации выключают накал, и нагрев катода обеспечивается неправильнофазными электронами.

7.6 Рабочие характеристики магнетрона

Режим работы магнетрона определяется анодным напряжением Ua, индукцией магнитного поля В и нагрузкой Yн. При правильном его выборе можно получить оптимальную мощность в нагрузке, КПД и частоту колебаний.

Выбор режима производится по рабочим и нагрузочным характеристикам. Рабочие характеристики строятся на плоскости (Ua, I0) (I0 — постоянный ток магнетрона).

Линии Ua (I0) при B = const (рис. 7.14, а) представляют собой вольт-амперные характеристики прибора. Практически удобнее ток анода откладывать по оси абсцисс, т.к. mах и min токи при генерации отличаются примерно на порядок, а анодное напряжение изменяется всего на 10—20 %. С ростом индукции В кривая перемещается в сторону больших Ua, что соответствует условию синхронизма (7.15). Изменение Ua при B = const приводит, с одной стороны, в связи с увеличением амплитуды колебаний к росту тока луча I0, а с другой — к изменению частоты генераций при увеличении тока.

178

Линии постоянной мощности в нагрузке Pн = const на плос-

кости (Ua, I0) изображены на рис. 7.14, б. Чтобы мощность была постоянной Pн = const с ростом I0, значение Ua должно умень-

шиться, согласно соотношению P0 =Ua I0 = Pн ηэ ηк . Если считать, что КПД ηэ меняется мало, то Ua обратно пропорциональна

току луча Ua = Pнηэηк I0 .

Линии постоянного КПД ηэ на плоскости (Ua, I0) подобны линиям ω = const (рис. 7.14, в). Поведение линий ηэ можно объ-

яснить с помощью соотношения (7.16), учитывая, что Ua незначительно растет с увеличением тока I0. Уменьшение ηэ при малых

токах I0 объясняется недостаточной амплитудой колебаний при работе вблизи порога самовозбуждения.

Частота колебаний с ростом I0 увеличивается из-за роста Ua в соответствии с тем же условием (7.15). При больших токах луча иногда наблюдается максимум частоты или даже ее уменьшение, что связано с нагревом резонатора из-за роста рассеиваемой мощности, увеличением геометрических размеров резонаторов и уменьшением их собственной частоты.

7.7 Коаксиальные и обращенные магнетроны

Среди магнетронных генераторов особое место занимают

коаксиальные магнетроны (рис. 7.15, а), позволяющие повысить стабильность частоты генерации и увеличить выходную мощность.

179

Основная особенность их конструкции заключается в том, что многорезонаторная система магнетрона 1 связана со стабилизирующим коаксиальным резонатором 2. Коаксиальный резонатор окружает многорезонаторную систему и связан с ней посредством продольных щелей 3, прорезанных в задних стенках резонаторов анодного блока через один, чтобы в коаксиальном резонаторе, закрытом с обоих торцов, возбуждался азимутальносимметричный вид колебаний H01р, где р — число полуволн, укладывающихся вдоль оси резонатора. Обычно коаксиальный резонатор настраивается на вид колебаний H011, структура поля которого показана на рисунке. Электрические силовые линии (сплошные) имеют вид окружностей, сосредоточенных в центральной части коаксиального резонатора, магнитные силовые линии (штриховые) — эллипсов, не имеющих вариаций в азимутальном направлении.

Рис. 7.15 — Схемы устройства коаксиального (а) и обращенного (б) магнетронов

Резонатор настраивается коаксиальным поршнем 6, который вводится в торец резонатора. Волноводный вывод энергии 5 связан с коаксиальным резонатором через щель 4, расположенную в торце прямоугольного волновода. Электромагнитное поле колебания вида H011 в коаксиальном резонаторе возбуждает волну H10 в прямоугольном волноводе.

180

Электромагнитное поле вида колебаний H011 коаксиального резонатора 2 через щели связи 3 возбуждает синфазные колебания в тех резонаторах анодного блока, которые связаны с коаксиальным резонатором. При этом в многорезонаторной системе могут возникнуть и поддерживаться колебания π-вида. Путем настройки коаксиального резонатора нетрудно выделить π-вид колебаний. Такой принцип выделения π-вида колебаний аналогичен действию связок, и является еще одним способом разделения видов колебаний. Разделение видов колебаний в коаксиальном магнетроне при перемещении поршня в коаксиальном резонаторе достигает 10 % в 40-резонаторном магнетроне.

Высокое значение собственной добротности коаксиального резонатора приводит к повышению добротности всей системы и повышению стабильности частоты генерируемых колебаний как по отношению к изменениям нагрузки, так и по отношению к нестабильности электрического режима питания.

Итак, коаксиальные магнетроны обладают большей мощностью на более высоких частотах, высокой стабильностью частоты генерации и широким диапазоном механической перестройки частоты. Однако они конструктивно сложнее и дороже в производстве, чем «классические» магнетроны.

В обращенных магнетронах (рис. 7.15, б) использован ана-

логичный принцип стабилизации частоты. Такое название эти магнетроны получили потому, что в их конструкции использовано обратное, взаимное расположение анода и катода, причем радиус анода меньше радиуса катода. Эмитирующее покрытие нанесено на внутреннюю цилиндрическую поверхность катода К, который окружает многорезонаторную систему 1 анодного блока. Ламели многорезонаторной системы 7 направлены наружу, к катоду. Стабилизирующий резонатор 2 цилиндрического типа находится в центре магнетрона и связан с многорезонаторной системой через щели связи 3, аналогичные щелям в коаксиальном магнетроне.

При наличии π-вида колебаний в многорезонаторной системе, связанной с цилиндрическим резонатором через N/2 щелей системы, в нем возбуждается азимутально-симметричный вид колебаний Н011, структура поля которого показана на рисунке.