книги из ГПНТБ / Левичев В.Г. Радиопередающие и радиоприемные устройства [учеб. пособие]

Разделив мысленно пространство взаимодействия на две части; плоскостью MN (рис. 1.86), убедимся, что из правой части в ле­

вую ПРОХОДЯТ ЭЛеКТрОНЫ СО СКОРОСТЯМИ ОТ V M nn = 0 Д О 1/ макс = 21Л,.

т. е. со средней скоростью Vt. Помещая плоскость MN в различ­ ных сечениях пространства взаимодействия, придем к выводу о существовании в этом пространстве вращающегося электронного

Рис. 1.86. Образование вращающегося заряда:

облака. Средняя скорость вращения заряда равна Vt = -^. Нали­ чие вращающегося заряда является необходимым условием ра­ боты магнетрона. Следовательно, магнетрон может работать толь­

111

4. Автоколебания в магнетроне

При включении анодного напряжения в магнетроне в течение некоторого небольшого промежутка времени существует переход­ ный режим. Возникшие колебания высокой частоты нарастают по амплитуде. Они поддерживаются электронным потоком, который в установившемся режиме имеет форму спиц колеса (рис. 1.87).

Рис. 1.87. Спицеобразная форма электронного облака в магнетроне

Число спиц равно половине числа резонаторов. В спицах элек­ троны совершают сложные петлеобразные движения, а сами спи­ цы вращаются с постоянной угловой скоростью вокруг оси анод­ ного блока. С концов спиц «отработавшие» электроны падают на анод.

Напряжение на аноде U& и индукция В подбираются такими, что выполняется условие синхронизма: каждая спица проходит каждую щель резонаторов в тормозящем поле. Электрическое поле резонаторов пополняется энергией, забирая ее от сгустков электронов. Ускоряет электроны постоянное электрическое поле.

ства взаимодействия можно разложить на две составляющие: тан­ генциальную составляющую Et_, направленную по касательной

к окружности, проходящей через данную точку и имеющей центр

112

на оси анодного блока, и радиальную составляющую Ег_

(рис. 1.88). Роль этих составляющих в механизме передачи энергии от потока электронов к резонаторам несколько различна. Танген­ циальная составляющая тормозит движение электронов вдоль анод­ ного блока, и потому резонаторы пополняются энергией. Радиаль­ ная составляющая способствует образованию плотных сгустков электронов.

Р

Рис. 1.88. Образование спицеобразного электронного облака

Рассмотрим, как образуются вращающиеся спицы зарядов. Пусть электроны группы 1, вылетая из катода, попадают в тор­ мозящее поле резонатора / и проходят плоскость Р, т. е. середину щели резонатора, в момент амплитудного значения поля. Такие электроны будем называть электронами благоприятной фазы. Они испытывают максимальное тормозящее действие тангенциальной составляющей поля, передают свою энергию полю и потому не мо­

нается новая петля эпициклоиды, которую электроны благоприят­ ной фазы совершают в тормозящем поле резонатора 2, а следую­ щую петлю — в тормозящем поле резонатора 3 и т. д. до тех пор, пока не долетят до анода. Такое движение совершают электроны

113

благоприятной фазы только при выполнении определенного усло­ вия, называемого условием синхронизма. В простейшем рассмо­ тренном примере это условие сводится к тому, что за время од­ ного полупернода колебаний электрон совершает одну петлю эпи­ циклоиды у одного резонатора. Каждый резонатор получает от электрона этой группы энергию e-AUa, где AUa — разность потен­ циалов начальной и конечной точек петли. Можно поэтому .счи­ тать, что электроны отдают полю не кинетическую, а потенциаль­ ную энергию. По мере приближения электронов к аноду их потен­

Средняя скорость и кинетическая энергия электронов не умень­ шаются потому, что одновременно с передачей энергии они полу­ чают такое же количество энергии от источника постоянного поля.

У второго резонатора к электронам группы 1 добавляются электроны благоприятной группы 2, у третьего — группы 3 и т. д. Следовательно, против щелей с тормозящим полем заряд накап­ ливается и вытягивается от катода к аноду, образуя спицу элек­ тронов.

У щелей с ускоряющим полем образуются разрежения элек­ тронов: там электроны прижимаются к катоду. Это видно на при­

от поля, эта группа электронов увеличивает свою тангенциальную составляющую скорости и возвращается^ на катод, отдавая ему кинетическую энергию. Следовательно, катод дополнительно по­ догревается за счет энергии переменного поля. Поэтому в некото­ рых магнетронах напряжение накала уменьшают или вовсе вы­ ключают после предварительного разогрева катода и подачи анод­ ного напряжения.

Таким образом, иод действием тангенциальной составляющей поля осуществляется предварительная автоматическая сортировка электронов. Электроны благоприятной фазы пролетают тормозя­ щие поля нескольких резонаторов, отдавая им энергию, а небла­

сгустки из электронов, не попавших в начале движения в благо­ приятную фазу. Из рис. 1.88 видно, что левее плоскости симме­ трии резонатора Р радиальная составляющая переменного поля совпадает по направлению с постоянным полем Е, а правее — противоположна ему. На том же рисунке показано положение трех групп электронов в момент максимального значения поля. Электроны благоприятной фазы (группа 1) находятся точно у се-

114

редины щели, где радиальная составляющая равна нулю. Следо­ вательно, суммарное действие радиальной составляющей на эти

находится левее плоскости симметрии, где Ег_ ускоряет электро­ ны, и потому суммарное действие этого поля на электроны будет ускоряющим, так как ко времени перехода электронов правее пло­ скости Р поле уже будет близко к нулю. Поэтому группа электро-

Рис. 1.89. Фокусирующее действие радиальной состав­ ляющей переменного поля

нов 6 движется с большей скоростью и постепенно догоняет груп­ пу 1. По аналогичным причинам группа 7 движется медленнее группы 1 и постепенно сливается с ней. Так образуются устойчи­ вые сгустки электронов, все время движущиеся в тормозящем поле резонаторов.

Существующую в колебательной системе стоячую волну мож­ но рассматривать как сумму двух встречных бегущих по резона­ торам волн. Сгустки электронов должны двигаться по окружно­ сти на гребне тормозящего поля бегущей волны. Только при этом будет выполнено условие синхронизма, т. е. будет эффективное взаимодействие электронов с полем волны. Бегущая волна рас­ пространяется по стенкам резонаторов со скоростью света, а по окружности анодного блока она распространяется со значительно меньшей фазовой скоростью. Именно такой и должна быть ско-

115

рость движения спиц vt. Следовательно, колебательная система замедляет движение волны по окружности анодного блока, т. е.

колебательной системы и потому она называется также замедляю­ щей системой.

Для выполнения условия синхронизма необходимо, чтобы про­ летное время электронов от середины одной щели до середины со­ седней щели составляло половину периода.

5. Разделение частот

Для того чтобы обеспечить работу магнетрона в режиме ко­ лебаний типа тс и предотвратить возможность возникновения дру­ гих типов колебаний, применяются следующие меры: разделение

резонансных частот, выбор четного числа резонаторов, выбор со­

или проволоки, электрически соединяющие между собой четные

ся двухсторонние связки:. либо по одному кольцу с каждой сто­ роны, либо по два кольца с каждой стороны (рис. 1.90, а и б). Для уменьшения емкости между связкой и катодом в некоторых типах магнетронов связки экранируются, т. е. укладываются в анодном блоке в канавке (рис. 1.90,в).

При колебаниях типа тс связки соединяют точки с равными по­ тенциалами, и потому ток в связках отсутствует. Следовательно, на частоту этих колебаний связки влияют очень мало. Если же в магнетроне возникают колебания других типов, то по связкам про­ ходит ток, а они представляют собой индуктивность, подключен­

ие

ную параллельно индуктивности резонатора. В результате этого общая индуктивность уменьшается, а частота колебаний увеличи­ вается. Таким образом, связки способствуют устойчивой работе магнетрона в режиме тс-колебаний.

Эффективность действия связок уменьшается с увеличением числа резонаторов, т. е. с укорочением волны. Кроме того, на волнах Х<3 см размеры связок становятся очень малыми, что вызывает значительные конструктивные затруднения. Поэтому в

Рис. 1.91. Разнорезонаторные колебательные системы

диапазоне волн короче 3 см используются разнорезонаторные ко­ лебательные системы (рис. 1.91).

6. Способы настройки магнетрона

Конструкции перестраиваемых магнетронов сложны по ряду причин. Во-первых, колебательная система магнетрона находится в вакууме, который органы настройки не должны нарушать. Вовторых, введение элементов настройки не должно ухудшать ча­ стотного разделения. Диапазон возможной перестройки ограничи­ вается уменьшением разности частот основного и ближайшего к нему типов колебаний и, следовательно, устойчивостью работы магнетрона. В-третьих, размеры магнетрона малы, и потому в нем трудно размещать элементы настройки.

магнетрона. При индуктивной настройке внутрь резонаторов вво­

емкостную настройку, изменяя одновременно и индуктивность, и емкость резонаторов (рис. 1.92,а).

Диапазон перестройки магнетрона изменением емкости или ин­ дуктивности резонаторов не превышает 5—10%, а при комбиниро-

117

связывается вспомогательный перестраиваемый резонатор или от­ резок коаксиальной линии. Изменяя собственную частоту этого ре­ зонатора или длину коаксиальной линии, можно изменять в не­ большом диапазоне частоту колебаний магнетрона за счет вноси­ мого реактивного сопротивления.

Рис. 1.92. Способы настройки магнетрона

Недостатком механической перестройки частоты магнетронов является малая скорость перестройки. Для увеличения скорости перестройки применяют электронные методы. В небольших преде­ лах электронная перестройка может осуществляться изменением тока луча, проходящего в одном из резонаторов магнетрона или во вспомогательном резонаторе. При этом изменяются динамиче­ ская емкость резонатора и, следовательно, частота колебаний.

7.Рабочие характеристики магнетрона

Впроцессе эксплуатации магнетрона с фиксированной настрой­

кой можно изменять анодное напряжение и индукцию постоян­ ного магнитного поля. В диапазонных магнетронах имеется еще регулировка частоты.

118

Изменение t / a или 5 оказывает влияние на мощность генери­ руемых колебаний и коэффициент полезного действия. Для опре­ деления взаимной связи между указанными величинами экспери­ ментально снимают рабочие характеристики магнетрона

Рис. 1.93. Рабочие характеристики импульсного магнетрона

(рис. 1.93). Они представляют собой совокупность линий постоян­ ной мощности, линий постоянного КПД и линий постоянной маг­ нитной индукции.

Поясним рабочие характеристики на примере. Установим ин­

119