13.4. Характеристики и параметры магнетронных

автогенераторов

13.4.1. Коэффициент полезного действия

Одним из наиболее важных параметров магнетрона, по которому он имеет преимущества перед другими генераторами СВЧ-диапазона, является электронный КПД, равный отношению полезной высокоча­стотной мощности первой гармоники выходной частоты Р₁к мощ­ности, потребляемой от источника анодного питания: _э = Р₁/Р₀. Точ­ный расчет колебательной мощности Р, через ток первой гармоники затруднен сложным характером движения отдельных электронов в скрещенных статических полях при учете периодического по углу изменения структуры высокочастотного поля, необходимостью учи­тывать форму сгустка и влияние в нем пространственного заряда. Такие расчеты с некоторыми приближениями проводятся разработ­чиками магнетронных генераторов. Для оценки предельных КПД, присущих таким электронным приборам, можно заменить расчет полезной мощности вычислением мощности рассеивания в виде потерь тепла и использовать закон сохранения энергии.

Особенность принципа генерирования в магнетроне состоит в том, что анода достигают лишь те электроны, которые при взаимо­действии с полем отдают ему свою энергию, находясь в благоприят­ной для этого процесса фазе вращающегося поля. Составим энерге­тический баланс для одиночного электрона, который двигается по циклоидальной траектории вокруг катода, смещается в сторону анода и заканчивает свое движение ударом о боковую поверхность анодного сегмента.

Поскольку циклоидальная траектория есть след точки на ободе колеса, которое катится вдоль катода, то наибольшая скорость движения и одновременно скорость удара о поверхность анодного сегмента _уд достигается (см. рис. 13.2) в верхней точке такого колеса, которая наибо­лее удалена от линии качения. Значение этой наибольшей скорости в 2 раза выше, чем средняя скорость дрейфа: _уд = 2 _ср = 2E_a/(Bd).

Кинетическая энергия удара электрона об анод составляет при этом

W_yд = m _yд/2 = 2mE²_a /(B² d² ), где m — масса электрона. Исходная полная потенциальная энергия электрона, которой он обладал, нахо­дясь на уровне катода, по отношению к его положению на аноде, составляет W_noлн = еЕ_а. КПД электрона, который имел энергию W_noлн, часть ее преобразовал в полезную энергию высокочастотного поля, а оставшуюся — в энергию удара об анод, можно записать в виде соотношения _э = 1 - W_yд /W_nолн = 1 - (2т/ ed) ² (E_а/B² ). Заме­нив здесь множитель 2т/(ed) через параметры параболы критиче­ского режима Е_а.кр и В_кр по (13.3), получим

(13.7)

Из (13.7) следует, что при выборе значений Е_аиВ вблизи параболы критического режима КПД стремится к нулю, но по мере удаления от нее при выполнении условия синхронизма (13.6) он возрастает, не имея принципиального теоретического предела. Действительно, если в генерирующем магнетроне использовано достаточно высокое отноше-

ние В/В_кр, то радиус циклоиды r = Е_ат /(В² ed) будет мал по сравнению с расстоянием между анодом и катодом d. Скорость _уд и кинетиче­ская энергия W_уд его удара об анод определяются последним циклом движения после очередной остановки и могут быть сколь угодно малыми, если радиус циклоиды стремится к нулю.

Таким образом, в магнетроне и ряде подобных приборов могут быть достигнуты предельно высокие значения КПД. Конструкция магнетрона с цилиндрическим катодом и внешним цельнометалли­ческим анодным блоком позволяет формировать большой поток электронов и эффективно отводить рассеиваемое на аноде тепло. Поэтому магнетрон позволяет получить предельно высокие значения как полной высокочастотной мощности (в непрерывном режиме — до сотен киловатт, в импульсном — до десятков мегаватт) так и КПД (до 90 %). С помощью магнетронов создают эффективные печи для СВЧ-нагрева и для другой технологической обработки; разрабаты­вают и производят устройства преобразования мощности источника питания в мощность СВЧ-колебаний для межспутниковых систем электроснабжения по электромагнитному лучу, для передачи промыш­ленного количества мощности по сверхпроводящему волноводу и др.