5.5. Содержание отчета

1. Цель работы, схема измерительной установки и эскиз прибора.

2. Экспериментальные зависимости по пп. 2–4 в 5.4.

3. Расчет и соответствующий график.

4. Расчет крутизны электронной настройки и подстройки.

5. Дисперсионная зависимость замедляющей системы, построенная в координатах и, где– скорость света,– длина волны в свободном пространстве, с использованием экспериментальной зависимости ЗСи условия синхронизма (5.2). В расчетах учесть, что данная ЛОВ работает на минус первой пространственной гармонике. В случае затруднения в построении обратитесь к [5].

6. Оценка величины с использованием (5.3) и (5.4) и максимального КПД, полученного в эксперименте.

7. Оценка величины продольной составляющей электрического поля для первой пространственной гармоники эффективного напряженияв сравнении с ускоряющим напряжением, для случая

8. Анализ изменения формы зон генерации при изменения нагрузки.

9. Выводы по работе.

5.6. Контрольные вопросы

1. В чем принципиальное отличие ЛОВ и ЛБВ?

2. Что такое условие синхронизма?

3. Почему ЛОВ используются чаще как генераторы, а ЛБВ как усилители СВЧ-диапазона?

4. Как можно объяснить изрезанность зависимости выходной мощности ЛОВ от частоты?

5. Почему ЛОВ работает, только начиная с некоторого граничного тока?

6. Исследование многорезонаторного магнетрона

Цель работы: ознакомление с устройством многорезонаторного магнетрона и принципом его работы, измерение основных параметров и характеристик прибора и исследование их зависимостей от режимов работы.

6.1. Основные теоретические положения

6.1.1. Устройство и принцип работы магнетрона

Основными элементами магнетрона являются: катод К, анод А, вывод энергии. Анод магнетрона представляет собой массивный медный цилиндр, в котором имеются полости сложной конфигурации – резонаторы. На рис. 6.1 представлено распределение электрического высокочастотного поля одного из резонаторов (резонатор типа «щель – отверстие»). Совокупность резонаторов образует колебательную систему магнетрона, последняя из-за наличия сильной связи между резонаторами имеет несколько резонаторных частот, и в ней могут возбуждаться колебания различных видов, отличающиеся длиной волны и распределением электромагнитного поля.

Практически наиболее важным видом колебания является-вид, который обеспечивает устойчивую работу магнетрона с высоким коэффициентом полезного действия и используется почти во всех современных магнетронах. Этот вид колебаний характеризуется тем, что колебания в соседних резонаторах происходят со сдвигом фаз, равным 180°, т. е.рад (с чем и связано их название).

Для работы магнетрон помещается в магнитное поле, параллельное его оси, создаваемое постоянными магнитами или электромагнитами.

Рассмотрим качественно принцип работы многорезонаторного магнетрона. При подаче анодного напряжения электроны, вылетающие из накаленного катода, под воздействием этого напряжения начинают двигаться по направлению к аноду. При отсутствии осевого магнитного поля электроны двигались бы к аноду по радиальным прямым. Наличие магнитного поля приводит к искривлению траекторий электронов в магнетроне в статическом режиме (рис. 6.2). При некоторой величине индукции магнитного поля, называемой критической , траектории искривляются настолько, что электроны, не достигая анода, возвращаются на катод.

Такая картина движения электронов в пространстве между катодом и анодом магнетрона справедлива, если не принимать во внимание электрическое поле, возникающее в результате возбуждения колебательной системы магнетрона. Это поле оказывает существенное влияние на характер движения электрона и определяет механизм преобразования энергии электронного потока в энергию высокочастотных колебаний. Рассмотрим движение электронов в междуэлектродном пространстве при наличии высокочастотного поля, картина силовых линий которого показана на рис. 6.3. На восходящей части траекторий электрон ускоряется анодным напряжением, его кинетическая энергия возрастает, достигая максимума вблизи вершины траектории. Характер действия высокочастотного поля зависит от его фазы в момент прохождения электрона через среднюю плоскость резонатора (плоскость вв на рис. 6.3). Если высокочастотное поле оказывается тормозящим, электрон передает полю часть своей кинетической энергии. Оставшейся кинетической энергии оказывается недостаточно для возвращения электрона на катод, и электрон, двигаясь по нисходящей части траектории, полностью теряет скорость и останавливается в точке М траектории. Затем такой электрон, который принято называть «электроном отдачи», под действием ускоряющего анодного напряжения снова начинает движение к аноду. Траектории «электронов отдачи» изображены на рис. 6.3. При повторении условий взаимодействия с высокочастотным полем очередного резонатора он вновь передает полю резонатора часть своей кинетической энергии, останавливается в точке О траектории и начинает следующий цикл движения в сторону анода. Величина энергии, переданной от электрона высокочастотному полю на рассмотренном участке траектории КЛМНО, определяется разностью полной энергии электрона в точках К и О . Поскольку в точках К и O кинетическая энергия электрона равна нулю, то разность полной энергии равна разности потенциальной энергии в указанных точках. Таким образом,

,

где и – потенциальная энергия электрона в точках К и О.

Полагая, что между катодом и анодом приложена разность потенциалов и анод заземлен (потенциал анода ), находим, что потенциал точки К равен и потенциальная энергия электрона в этой точке определяется формулой . Потенциальная энергия электрона в точке O определяется через потенциал этой точки и .

С учетом полученных выражений находим

Характер изменения потенциальной и кинетической энергии электрона при движении по траектории KЛМНО показан на рис. 6.4.

Помимо уже рассмотренных «электронов отдачи» в магнетроне существуют «электроны потерь». Это те электроны, которые в процессе взаимодействия с высокочастотным полем ускоряются и отбирают энергию от поля. Такие электроны, приобретая дополнительную кинетическую энергию, возвращаются на катод и выбывают из процесса взаимодействия с высокочастотным полем уже после первого цикла.Избыточная кинетическая энергия, с которой они возвращаются на катод, приводит к дополнительному разогреву катода. Благодаря тому что время существования «электронов потерь» ограничено одним циклом взаимодействия, эффект взаимодействия «электронов отдачи» является преобладающим, что приводит в среднем к преобразованию энергии электронов в энергию высокочастотного поля.

Наряду с процессом «сортировки» электронов большое значение имеет их группирование, в результате которого появляются уплотнения электронного облака, имеющие форму вращающихся спиц. Процесс группирования обусловлен влиянием радиальной составляющей высокочастотного поля, которая усиливает или ослабляет суммарное электрическое поле между катодом и анодом, определяющее темп циклоидального движения электронов. В результате средняя «переносная» вращательная скорость электронного облака по обе стороны от резонатора становится различной. Сближение более «быстрых» и «медленных» электронов происходит под резонаторами, имеющими в данный момент тормозящее поле.

Для того чтобы большинство электронов отдавало энергию полю резонаторов, скорость вращения электронных «спиц» должна обеспечивать их прохождение под каждым очередным резонатором при тормозящей фазе высокочастотных колебаний; иными словами, необходима «синхронизация» взаимодействия вращающегося облака электронов с высокочастотным полем.

Уже на основании приведенного качественного описания механизма взаимодействия электронного потока и поля можно сделать вывод о том, что высокочастотные колебания в магнетроне возможны лишь при выполнении определенных условий. Рассмотрим эти условия.