6.3. Многорезонаторный магнетрон.
Многорезонаторный магнетрон один из наиболее широко распространенных приборов типа М. Он представляет собой автогенератор резонансного типа.
6.3.1. Конструкция магнетрона.
Конструктивно многорезонаторный магнетрон представляет собой цилиндрическую конструкцию (рис. 6.26), состоящую:
Рис. 6.26
а) из анодного блока 1, в стенках которого
вырезаны резонаторные отверстия 2,
соединенные с пространством взаимодействия
7 через щели связи 6; б) катода 5, позволяющего
получать значительные эмиссионные
токи; в) устройства вывода СВЧ колебаний
3, осуществляемого с помощью магнитной
петли связи 4. На анодный блок подается
постоянное напряжение
.
Прибор помещается в постоянное магнитное
поле, направленное вдоль оси катода.
Резонаторные системы магнетронов весьма разнообразны (рис. 6.27).
6.27
Она представляет собой замкнутую
систему, состоящую из четного числа
,
связанных резонаторов. Эквивалентная
схема резонаторной системы типа
щель-отверстие представлена на рис.
6.28.
Рис. 6.28.
В такой системе могут возбуждаться
только те колебания, для которых сдвиг
фазы в звеньях при одном обходе кратны
величине
.
Это означает., что сдвиг фазы
на одно звено может принимать лишь
следующие дискретные значения:
,
(6.23)
где
-
число резонаторов,
-
номер вида колебаний.
Вид колебаний
(
называют
синфазным, а
(
-
противофазным или
-видом.
Каждому виду колебаний соответствует собственная частота колебательной системы:
,
(6.24)
где
,
Зависимость поля несинусоидальная. На
рис. 6.29 представлены силовые линии
электрического поля и изменение
азимутальной составляющей напряженности
-вида
колебаний в четырехрезонаторном
магнетроне.
Рис. 6.29.
Это поле можно представить в виде суммы пространственных гармоник, что упрощает анализ взаимодействия электронов с СВЧ полем. Пространственные гармоники имеют различную угловую скорость и одинаковую частоту. Тогда, для фазового сдвига на один
период замедляющей системы можно записать
,
(6.25)
где
— фазовый сдвиг m-й
пространственной гармоники. Если
— угловая фазовая
скорость m-й
пространственной гармоники, то величина
—
угловое волновое число. При сдвиге на
один период системы азимутальная
координата меняется на величину
— угловой период
системы, а, следовательно, фазовый сдвиг
на период можно представить в виде
.
(6.26)
Приравнивая соотношения (6.25) и (6.26) и учитывая формулу (6.23), для угловой скорости m-й пространственной гармоники n-го вида колебаний можно записать
,
(6.27)
где
— угловая частота
n-го
вида колебаний.
Для -вида колебаний ( ) угловая скорость имеет вид:
.
(6.28)
Из соотношения (6.28) видно, что угловые скорости нулевой (т = 0) и первой обратной (т = —1) гармоник основного вида равны и противоположны по направлению.
Частоты разных видов колебаний,
определяемых (6.24) различаются незначительно.
На рис. 6.30 изображена зависимость
для восьми резонаторного магнетрона.
Видно, что разность частот
для
=4
и
=3
весьма мала. Поэтому в
результате флуктуации, например, анодного
напряжения, магнетрон может изменить
частоту генерации.
Рис. 6.30.
Для устранения этого явления применяются либо анодные блоки, в которых последовательно чередуются резонаторы двух типов (рис. 6.31,б), либо анодные блоки с одинаковыми резонаторами , которые электрически связаны между собой так называемыми «связками» (рис. 6.31, а).
Рис. 6.31.
Действительно, усиление связи между отдельными узкополосными колебательными системами, составляющими колебательную систему анодного блока, приводит к удалению собственных частот друг от друга. Поэтому введение элементов, связывающих отдельные резонаторы. — связок — приводит к увеличению устойчивости работы магнетрона. Одна из конструкций связок, представляющих собой два металлических кольца, одно из которых соединяет между собой все четные сегменты анодного облака, а другое — все нечетные сегменты, показана на рис. 6.31.а. Для -вида колебаний одна связка заряжена положительно, другая заряжена отрицательно и наоборот. Поэтому в случае колебаний -вида связки работают как обкладки конденсатора, увеличивая эквивалентную емкость резонатора, что приводит к уменьшению частоты колебаний -вида. При колебаниях других видов разность фаз между сегментами колебательной системы отлична от нуля, и в результате по связкам течет ток. При этом связки работают подобно индуктивностям, включенным параллельно индуктивности резонатора, что приводит к увеличению частоты колебаний. Кроме этого, из-за протекания тока по связкам увеличиваются потери на любом виде колебаний, за исключением -вида. Как видно из рис. 6.30 при этом разность частот
между соседними видами колебаний увеличивается, что повышает устойчивость работы магнетрона.