Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

расчете не были учтены потери энергии за счет "неблагоприятных" электронов, бомбардирующих катод, а так же потери электронов на боковые крышки магнетрона и некоторые другие факторы.

Величина электронного КПД существующих магнетронов сантиметрово-

Зависимость электронного КПД магнетрона от величины магнитной индукции можно сделать особенно наглядной, если учесть условие синхронизма при работе на любом фиксированном виде колебаний. Например, возьмем условие самовозбуждения (2.71) и подставим его всоотношение в (2.74), то при m=0 имеем

Полученное уравнение соответствует случаю, когда КПД отсчитывается при движении вдоль одной из прямых самовозбуждения на плоскости

(U a , B), соответствующее графическое изображение зависимости ηэ = f (B)для

8-резонаторного магнетрона показано на рис. 2.21.

Кривые электронного КПД имеют вид отрезков гипербол. Чем ниже номер вида колебаний n , тем меньше электронный КПД при одной и той же величине магнитной индукции B. Говоря иначе, для достижения одного и того же электронного КПД наименьшее магнитное поле требуется при π - виде колебаний.

Неограниченный рост электронного КПД магнетрона при увеличении В легко понять с физической точки зрения, так как при этом происходит уменьшение радиуса катящегося круга и уменьшение вращательной энергии электрона, рассеиваемой на аноде.

Вслучае разнорезонаторных магнетронов имеются отклонения от зависимости hэ = f (B), показанной на рис. 2.22.

Внекотором интервале значений магнитной индукции наблюдается "провал" на кривой зависимости hэ = f (B), как показано на рис. 2.22. Элек-

тронный КПД здесь резко падает наполовину, после чего вновь возрастает и далее изменяется по закону гиперболы. Исследования показали, что в центре "провала" произведение магнитной индукции, выраженной в теслах, на длину волны в сантиметрах имеет для всех магнетронов одинаковую вели-

85

стороны, при малой величине отношения rk/ra не выполняются условия синхронизма между электронами и высокочастотным полем, так как напряженность постоянного электрического поля имеет наибольшую величину у ка-

зоне имеет порядок 1000. Практически КПД резонаторной системы может составлять от 90 − 95% до 50 − 60% на более коротких волнах. Типичные значения полного КПД составляют от 60 − 70% на дециметровых волнах до 20 − 30% , на сантиметровых волнах.

Рабочие и нагрузочные характеристики магнетронов. Анализ процессов,

происходящих в магнетроне, проводят с помощью экспериментального исследования режимов работы магнетрона, на основании которого получают необходимые характеристики.

Характеристики магнетронов разделяют на две группы:

I) рабочие, связывающие выходные параметры генератора (мощность Р, частота f, и коэффициент полезного действия (КПД) η) с входными параметрами (анодное напряжение Ua, анодный ток Ia и магнитная индукция B). Генератор работает на согласованную нагрузку (Гн=0).

II) нагрузочные, связывающие выходные параметры генератора (Р, f, η) с импедансом нагрузки (коэффициентом отражения Г) при фиксированных параметрах питания, близких к номинальным (Ia = Ia0; B= B0).

I - группа характеристик: семейство зависимостей тока от напряжения - вольт - амперные характеристики (ВАХ). Эти характеристики снимаются при постоянном магнитном поле и фиксированной нагрузке, соответствующей режиму согласования выходного устройства магнетрона. Параметрами при сня-

тии Ua = f (Ia ) являются В, Рген, частота генерируемых колебаний f и полный КПД - ηполн . Вольт - амперные характеристики магнетрона, снятые при усло-

виях B = const , Pген = const , f = const , ηполн = const носят название рабочих

характеристик. Эти характеристики принято строить в прямоугольной системе координат.

пов автогенераторов СВЧ, оказывается удобным строить на комплексной плоскости полного сопротивления нагрузки в полярной системе координат, так называемой диаграмме Вольперта - Смита.

Рабочие характеристики магнетронов. Построим рабочие характери-

стики магнетронов типа бегущей волны для семейства кривых постоянной ге-

86

нерируемой мощности Рген=const. Генерируемая мощность магнетрона связана с анодным напряжением, постоянным анодным током и КПД соотношением

кривые Pген = const .

Еще более просто можно рассуждать для нахождения хода кривых постоянной магнитной индукции B = const . Если исходить из условия синхронизации электронного облака и поля, например, в соотношении (2.71) можно предположить, что линии B = const являются прямыми параллельными оси абсцисс. В действительности, однако, увеличение постоянного Ia требует изменения формы пространственного заряда и некоторого повышения Ua. Таким образом, линии B = const на рабочей характеристике магнетронов должны иметь вид семейства параллельных прямых имеющих наклон под малым углом к оси абсцисс (см. рис. 2.23, б).

Нагрузочные характеристики магнетронов. В нагрузочных характери-

стиках магнетрона наблюдается затягивание частоты под действием внешней нагрузки значительно меньше, чем разделение видов колебаний. Магнетрон рассматриваем как, "одноконтурный" генератор, колебательная система которого в рассматриваемом диапазоне обладает свойствами параллельного резо-

87

нансного контура. Линии постоянной частоты на идеализированной форме нагрузочной характеристики (показанной на рис. 2.24)

совпадают с окружностями постоянной входной реактивной проводимости. Линии Pген = const совпадают с окружностями постоянной активной проводимости.

Семейства Pген = const и νген = const пересекаются под одним и тем же

углом α. На диаграмме заштрихована область срыва, где колебания в генераторе отсутствуют. Линии постоянной частоты в этой области диаграммы не имеют физического смысла.

длительность импульса -τимп, приложенного к магнетрону; б) крутизна фронта импульса. Длительность импульса не может выбираться произвольно.

Нужно учитывать, что при коротких импульсах ( τимп = 0,1− 0,3мкс ) начинает сказываться конечное время установления колебаний в магнетроне. При

тока так же делает возможным переход магнетрона на другой вид колебаний. Оптимальная форма импульса, при которой могут быть обеспечены

наиболее благоприятные условия возбуждения рабочего вида колебаний, должна быть в основном прямоугольной.

Для модуляции магнетронов импульсами малой длительности порядка (десятков наносекунд) возможно применение пъедестального импульса сравнительно большой продолжительности (порядка 1 мкс), на который наклады-

решена путем усовершенствования схемы модулятора. Опыт показывает, что необходимо переходить к новым типам катодов, способным работать без искрения и утомления и имеющим достаточный срок службы.

небольших пределах изменяются от одного типа магнетрона к другому, на-

Импульсные магнетроны является распространенными приборами с фиксированной настройкой частоты. Возможности механической перестройки частоты невелики и составляют не более 5 −10% . Электронная перестройка частоты возможна в очень узких пределах и часто сопровождается понижением стабильности работы и надежности магнетрона.

Параметры и области применения магнетронов. На данное время раз-

работано и выпущено свыше 500 типов многорезонаторных магнетронов. Основные тенденции в развитии магнетронов связаны с наращиванием уровней мощности, укорочением λ, увеличением срока службы, повышением стабильности и надежности.

Высокая эффективность и сравнительная простота конструкции является основными достоинствами магнетронных генераторов.

Перспективами дальнейшего развития магнетронов является: а) повышение максимальной генерируемой мощности; б) освоение нижней части миллиметрового диапазона волн; в) повышение стабильности частоты; г) увеличение срока службы.

Происходящая сейчас специализация применения магнетронов предъявляет к ним ряд новых повышенных требований, например в отношении д) низкого уровня шумов на частотах близких к генерируемой частоте.

В некоторых случаях, в первую очередь, в установках промышленного нагрева, от магнетронов в основном требуется е) более высокий КПД при отсутствии специальных требований к стабильности частоты.

89

Особенностью магнетронных генераторов является наличие электронного смещения частоты. В среднем можно считать, что крутизна электронной перестройки составляет от десятых долей до единиц МГц на 1 А изменения тока

Практически электронная перестройка частоты используется только в маломощных магнетронах. В мощных приборах применяются механические ме-

других мощных генераторов СВЧ.

Магнитные поля создаются постоянными магнитами или электромагнитами. Чем короче длина волны, тем большая требуется величина магнитной

индукции. В сантиметровом диапазоне она составляет 0,1 − 0,8Tл , в деци-

метровом диапазоне 0,05-0,2Тл.

Для охлаждения анодного блока предусмотрен радиатор, обдуваемый воздухом. Водяное охлаждение применяется только в наиболее мощных приборах.

Магнетроны с длиной волны более 3см обычно имеют петлевую связь с передающей линией. В магнетронах более коротких волн размеры анодного блока которых малы, поэтому используют связь с помощью щели, возбуждающей выходной волновод через четвертьволновой трансформатор.

90

3.Передатчики в линиях импульсной СВЧ связи и радиотехнических системах;

4.Импульсные генераторы для питания линейных электронных уско-

рителей;

5.Генераторы непрерывного режима для промышленного и бытового

нагрева;

2.4.3. Лампы бегущей и обратной волны типа М

Как было показано в разделе 2.4.1, при определенной взаимной ориентации векторов E, B, V электрическая и магнитные силы имеют противоположные направления. В этих условиях их равнодействующая может быть равной нулю

движения электрона в скрещенных полях будет прямолинейно и равномерно. Электрическое поле вдоль его пути неодинаково. Непосредственно над катодом действует поле Еупр, а далее между замедляющей системой и отрицательным электродом – поле Е, которое вдвое сильнее управляющего.

Подбираются такие условия, чтобы электроны в момент входа в пространство взаимодействия, образуемого верхним электродом замедляющей системы (анод) и нижним электродом (холодный катод), находились на вершине циклоиды. В этой точке имеется только горизонтальная составляющая скорости V0z (начальная скорость), которая определяется по формуле V0z=2Eупр/B. Если начальная скорость электронов направлена параллельно электродам и равна скорости переноса, то траектория электронов прямолинейна. Скорость переноса в пространстве взаимодействия определяют по формуле Vп=Е0\В. Таким образом, при выполнении условия V0z=Vп траектория оказывается прямолинейной. Электроны должны попадать при отсутствии высокочастотного поля в пространстве взаимодействия на коллектор.

Высокочастотный сигнал подводится через вход замедляющей системы. Если фазовая скорость пространственной гармоники Vфm равна скорости переноса Vп, то в пространстве взаимодействия происходит увеличение энергии СВЧ-поля, в результате уменьшения потенциальной энергии электронов. Для предотвращения самовозбуждения ставится поглотитель.

Дальнейшее рассмотрение работы ЛБВМ схоже с магнетроном.