13.3. Структура поля и электронного потока при генерации свч-мощности

Рассмотрим вначале характеристики колебательной системы резо­наторов магнетрона без учета электронного потока. Анодный блок магнетрона (см. рис. 13.1) содержит свернутую в кольцо цепочку из N колебательных контуров, которые имеют между собой магнитные связи через поля рассеяния на торцах и электрические связи через емкости на общий катодный цилиндр (см. на рис. 13.4). Предполо­жим вначале, что все контуры (резонаторы) идентичны.

Единый колебательный процесс в такой системе может происхо­дить только при условии, что сумма фазовых сдвигов ср между высо­кочастотными колебаниями в соседних резонаторах по замкнутому кольцу кратна 2 :

. (13.4)

Здесь п = ±1, ±2, ... — целое число периодов повторения картины поля по кольцу, которое называют номером вида колебаний. На рис. 13.5 показана структура поля для 8-резонаторного магнетрона, при колебаниях вида п.

Число различных видов колебаний не превышает половины числа резонаторов \п\ < N/2 . Если число резонаторов четное, то наиболь­шее значение номера вида колебаний п = N12 соответствует противо­фазным колебаниям в соседних резонаторах . При нечетном числе резонаторов противофазный вид колебаний не образуется, но магнетрон может функционировать.

Повторяющийся при движении вокруг катода вид поля можно представить волной, бегущей от одного резонатора к другому, которая

Рис. 13.4. Эквивалентная схема коль­цевой системы резонаторов с емкост­ными и индуктивными связями

Рис. 13.5. Структура высокочас­тотного поля для колебания вида к в 8-резонаторном магнетроне

рая для каждого значения п имеет такую скорость, что за время дви­жения между соседними резонаторами фаза поля ср изменяется в точ­ности на значение, соответствующе условию (13.4). Для колебания вида тс скорость волны такая, что полный обход анодного блока совершается за N/2 периодов высокочастотного поля. Для значений п < N/2 скорость движения волны увеличивается настолько, что полный обход анодного блока совершается за меньшее число перио­дов. Например, при п = 1 он происходит за один период высокочас­тотного поля. При п = О колебания во всех резонаторах должны были бы происходить синфазно, но такой вид невозможно возбудить с помощью движущихся по кольцу электронных сгустков, так как их скорость не может быть бесконечной. При направлении векторов ста­тических электрического и магнитного полей, указанном на рис. 13.5, средняя скорость движения электронов v_cp направлена по часовой стрелке, поэтому в магнетроне могут возбуждаться виды колебаний с положительными значениями п = 1,2,…,N/2 .

Система из N связанных контуров с одинаковой собственной резо­нансной частотой f₀ имеет N частот связи, значения которых могут немного отличаться от f ₀ из-за взаимных связей. Если высота (длина) анодного блока в направлении вектора магнитного поля заметно превышает расстояние между серединами резонаторов, то наиболь­шее значение имеют емкостные связи резонаторов с катодом С_св (см. рис. 13.4). Для более короткой конструкции анодного блока основную роль играют индуктивные связи резонаторов через торцы, которые характеризуются значением взаимной индуктивности М.

При учете только емкостных связей С_св частоты связи определяются выражением

где ) — собственная резонансная частота; С_св/С — коэффициент емкостной связи. Из (13.5) с учетом (13.4) получаем зависимость частот связи f_n, от сдвига фаз колебаний в соседних резо­наторах ф, график которой показан на рис. 13.6 сплошной линией. Если учитывать только индуктивные связи, то зависимость частот

связи определяется выражением . Ее график представлен на рис. 13.6 штриховой линией. Из рис. 13.6 видно, что частота для колебания вида я отличается от собствен­ной частоты каждого резонатора на значение, пропорциональное коэффициенту связи.

Для устойчивой работы магнетрона принимают меры, чтобы час­тота связи f_n выбранного вида колебаний отличалась от частот сосед­них видов колебаний на 10...20 %. Наиболее подходящим для работы магнетрона является колебание вида я, так как для него требуется наименьшая скорость движения электронов и, следовательно, наименьшее анодное напряжение. Как будет показано ниже, колеба­ние вида я имеет наибольший КПД среди других видов.

Для отделения частоты от частот соседних видов колебаний в равнорезонаторном магнетроне вводятся кольцевые связки по торце­вым плоскостям: одна — для четных сегментов, другая — для нечет­ных. Каждая из связок соединяет точки сегментов через один, так что для колебания вида я эти точки являются эквипотенциальными,

Рис. 13.6. Зависимость частот связи кольцевой системы из одинаковых резонато­ров от сдвига фаз колебаний в соседних резонаторах при учете емкостных (сплошная линия) и индуктивных связей (штриховая линия)

поэтому наличие связок не вносит дополнительных потерь. Для всех других видов колебаний по связкам протекают токи, которые сме­щают частоты этих видов колебаний и понижают для них добро­тность колебательной системы. Разделение видов колебаний достига­ется также в разнорезонаторной конструкции анодного блока: соседние резонаторы различаются, а через один резонатор их форма повторяется. В этом случае частота заметно отличается от частот соседних видов колебаний.

Допустим, что после включения питающего напряжения высоко­частотные колебания в магнетроне установились на одном из видов. Рассмотрим характер движения электронов при учете трех полей: постоянного электрического, постоянного магнитного и бегущего высокочастотного электрического. Будем считать, что средняя ско­рость дрейфа электронов, двигающихся по циклоидальным траекто­риям, совпадает по направлению и значению со скоростью движения волны высокочастотного поля. Из рис. 13.5 видно, что при круговом обходе системы резонаторов имеется п направлений, в которых танген­циальная составляющая высокочастотного электрического поля Е_вч направлена в ту же сторону, в которую дрейфуют электроны. Поэтому на этих участках вектор средней скорости поворачивается в сторону анода, а на участках, где Е_вч имеет противоположное направление — в сторону катода.

При синхронном движении электронов и вращающегося поля происходит группирование электронов, как показано на рис. 13.7. Электроны, находящиеся вблизи тормозящей фазы высокочастотного поля, наряду с вращением всего сгустка вокруг катода перемещаются в сторону анода. Для других электронов, находящихся вблизи проти­воположной фазы высокочастотного поля, суммарный вектор электрического

Рис. 13.7. Формирование электронных сгустков в магнетроне при и = 4

поля наклоняется в противоположном направлении, так что электрон приближается к катоду. Таким образом, в генерирую­щем магнетроне происходит образование электронных сгустков, рас­полагающихся вблизи тормозящей фазы вращающегося высокочас­тотного поля. Их называют «спицами» или «язычками». Число таких язычков равно числу периодов поля по кольцу, т. е. числу п. Язычки вращаются вокруг катода со скоростью _cp, а их форма изменяется по мере удаления от катода: около катода электронный поток почти несгруппирован, вблизи анода язычки уплотняются. Благодаря дейст­вию пространственного заряда происходит ограничение максималь­ной плотности заряда и амплитуды высокочастотных колебаний в установившемся режиме генерации.

В мощном генерирующем магнетроне те электроны, которые попадают в область ускоряющего высокочастотного поля и направля­ются к катоду, могут его бомбардировать и выделять на катоде энер­гию удара, в результате чего температура катода повышается. Выпус­кают магнетроны, в которых после начала генерации рекомендуют выключать напряжение питания накала, а нужная температура катода поддерживается именно таким эффектом бомбардировки благодаря энергии источника анодного тока.

Для взаимодействия электронов с высокочастотным полем в маг­нетроне требуется полный синхронизм движения электронных сгуст­ков и электрического поля. Скорость движения электронов определя­ется выражением (13.2), в котором нужно положить

d = r_а - r_к. Фазовая скорость волны по линии со средним радиусом r_ср = (r_а + r_к)/2 составляет _ф= 2 fr_ср / п. Отсюда условие синхронизма _cp = _ф дви­жения волны и поля можно записать в виде

На рис. 13.3 нанесены линии, соответствующие значениям анод­ного напряжения на линии синхронизма по (13.6) для 8-резонатор-ного магнетрона (для простоты принято f=f₀). Из графика видно, что для поддержания колебаний вида л требуется наименьшее по сравне­нию с другими видами значение анодного напряжения, что является достоинством выбора именно этого вида колебаний.

Если при постоянной магнитной индукции В = const увеличивать анодное напряжение, то условие синхронизма (13.6) выполняется не при единственном значении Е_a, а в некотором интервале вблизи зна­чения, оговоренного условием (13.6), из-за того, что частота генера­ции f может отклоняться от резонансной частоты высокодобротной колебательной системы f_n в пределах, которые определяются выпол­нением баланса амплитуд на частотах, лежащих вблизи f. На рис. 13.3 штриховкой даны примерные границы области допустимых значений анодного напряжения и магнитной индукции для колебания вида л.