книги из ГПНТБ / Основы радиотехники и радиолокации учеб. пособие

Рис. 4. 42. Зависимость траектории полета (а, б, в, г) и анод­ ного тока (g) от величины индукции.

Установим постоянное магнитное поле, индукция кото­ рого В < В Крит (рис. 4.42 6), а силовые линии направлены за чертеж. На электроны теперь будет действовать не толь­ ко электрическая, но и магнитная сила

F = еѵВ,

направленная перпендикулярно к вектору скорости элек­ тронов V. Магнитная сила не изменяет величины скорости электронов, но искривляет траекторию их движения, то есть изменяет направление скорости.

200

В результате этого пути движения электронов удли­ няются и анодный ток несколько уменьшается.

При увеличении индукции траектория электрона все бо­ лее искривляется, и при некотором ее значении ВкрИт, назы­ ваемом критическим, электроны проходят вблизи анода и

ходятся на некотором расстоянии от анода и анодный ток близок к нулю. Этот режим является рабочим для рассматри­ ваемых типов магнетронов.

Рис. 4. 43. Образование вращающегося заряда: 1, 2, 3 — тра­ ектории трех электронов (жирными линиями показано про­ должение траектории одного электрона другим и образование слоя вращающихся электронов).

201

Расчеты показывают, что при В > В крит траектория элек­ трона представляет собой кривую линию, описываемую точ­ кой (о), лежащей на круге с радиусом R, равномерно ка­ тящемся по поверхности катода (рис. 4. 43). Эта кривая на­ зывается эпициклоидой. В различных точках эпициклоиды скорость электрона различная: на вершине — максимальная (2vt), а у катода — равна нулю.

Величина критической индукции зависит от Ua. Если при данном Ua = Uai индукция В і> В крит, то с увеличением U a воз­ растает скорость движения электронов, и они не возвращают­ ся на катод, а попадают на анод, то есть индукция окажется меньше критической. Следовательно, если построить кривую, называемую параболой критического режима, то вся плоскость разделится на две части (рис. 4.44).

Любые значения U a и В, определяемые точкой, лежащей в заштрихованной области, не являются рабочими, так как при этом магнетрон превращается в диод, электроны не воз­ вращаются на катод и не образуют. вращающийся заряд. Рабочие комбинации U a и В находятся в незаштрихованной плоскости.

202

Д . Физические процессы в магнетронном генераторе

Рнс. 4. 45. Физические процессы в магнетронном генераторе.

Рассмотрим работу магнетрона на примере четырехрезона­

2. Анод магнетрона обычно заземляется, а на катод по­ дают высокое отрицательное напряжение, которое в им­ пульсных магнетронах колеблется в пределах 10000 — 50000 в.

В результате в пространстве взаимодействия имеется по­

затухающие колебания.

Резонаторы магнетрона электрически жестко взаимосвя­ заны через емкости между сегментами и катодом и через общее магнитное поле.

203

4.Колебания в щелях резонаторов создают переменное электрическое поле, которое вследствие краевого эффекта проникает в пространство взаимодействия.

5.Магнетрон располагают между полюсами сильного

постоянного магнита так, чтобы линии индукции магнитного поля были направлены вдоль оси магнетрона.

6. Для нормальной работы магнетрона индукция маг­ нитного поля должна быть больше критической. Тогда элек­

взаимодействия оказываются в постоянном радиальном электрическом поле, в постоянном магнитном поле и в пере­

свою скорость, то есть получает энергию от источника анод­ ного питания (рис. 4. 45).

Под влиянием магнитного поля траектория электрона искривляется, и он, не долетев до анода, поворачивает в сторону катода. При пролете мимо щели второго резонатора электрон попадает в тормозящее электрическое поле второго резонатора и отдает ему часть своей энергии.

Оставшейся части'энергии у электрона не хватает, чтобы вернуться на катод. Поэтому он останавливается на точке «б», не долетев до катода.

Остановившись на мгновение в точке б, электрон под воздействием постоянного радиального электрического поля начинает двигаться к аноду. Под влиянием постоянного маг­

204

нитного поля траектория его искривляется и он пролетает ми­ мо щели третьего резонатора.

Для того чтобы электрон отдал часть своей энергии треть­ ему резонатору, электрическое поле его должно быть тор­ мозящим, то есть за время пролета электронов от щели второ­

з о в ы м у с л о в и е м с а м о в о з б у ж д е н и я м а г н е т р о - н а. При выполнении его необходимо соответствующим обра­ зом подобрать величину напряженности постоянного элек­ трического и магнитного полей. В этом случае, пролетая ми­ мо щели третьего резонатора, электрон будет отдавать часть своей энергии полю этого резонатора и остановится в точке

в,

аноду и в конце концов падает на него в точке 2.

Так движутся все электроны, которые после вылета из катода попадают в тормозящее электрическое поле одного из резонаторов. Эти электроны составляют примерно поло­ вину общего числа электронов, испускаемых катодом. Другая половина электронов попадает в ускоряющее электрическое поле резонаторов. Проследим за движением этой группы электронов.

Пусть одновременно с первым электроном вылетает вто­ рой электрон из точки д катода и попадает в ускоряющее поле четвертого резонатора. Этот электрон получает от по­ ля четвертого резонатора дополнительную энергию, и поэто­ му у него энергии вполне хватает для того, чтобы вернуться на катод. Возвращаясь на катод, он отдает ему оставшуюся энергию. Этот электрон «вредный»: он забирает от электри­ ческого поля резонатора часть энергии. Первый же элек­ трон является полезным: он отдает часть энергии полям не­ скольких резонаторов.

«Вредные» электроны взаимодействуют с полем резона­ торов только один раз и поэтому забирают от него энергии меньше, чем отдают резонаторам полезные электроны.

Этим и объясняется возникновение в магнетроне высоко­ частотных колебаний.

В реальном случае из катода вылетает множество элек­ тронов. Часть их попадает в тормозящее высокочастотное поле, а часть — в ускоряющее. Электроны, попавшие в тор-

205

Рис. 4. 46. Образование спидеобразного электронного облака.

мозящее поле (электроны благоприятной фазы), за счет фо­ кусирующего действия высокочастотного поля собираются в пучки (спицы), вытянутые от катода к аноду (рис. 4. 46). Электроны, попавшие в ускоряющее высокочастотное поле, падают на катод, разогревая его. Так как число резонато­ ров благоприятной фазы равно половине общего числа ре­ зонаторов, то число спиц равно половине числа резонато­ ров. В спицах электроны совершают сложные петлеобраз­ ные движения, а сами спицы вращаются с постоянной угло­ вой скоростью вокруг оси анодного блока. С концов спиц «отработанные» электроны падают на анод. Напряжение на аноде U a и индукцию В подбирают так, что выполняется ус­ ловие синхронизма: каждая спица проходит щели резона­ торов в тормозящем поле.

Электрическое поле резонаторов при этом пополняется

206

энергией движущихся сгустков электронов. Ускоряет же элек­ троны постоянное электрическое поле. Следовательно, энер­

Таким образом, сущность работы магнетронного генера­ тора состоит в том, что движущиеся в пространстве взаимо­ действия электроны взаимодействуют с магнитным и элек­ трическим полями. При этом они отбирают часть энергии от постоянного электрического поля, создаваемого источником анодного напряжения, и передают ее переменному электри­ ческому полю объемных резонаторов.

Е. Разделение частот

Так как все резонаторы электрически сильно связаны друг с другом, то они в целом представляют собой сложную коле­

Связки представляют собой два кольца, выполненные из металлической ленты или проволоки, электрически соединяю-

207

щие между собой четные (одно кольцо) и нечетные (второе кольцо) сегменты. При колебаниях типа я связки соеди­ няют точки с равными потенциалами, и поэтому ток в связках отсутствует (рис. 4. 47). Следовательно, на час­ тоту этих колебаний связки почти не влияют. Если в магнет­ роне возникают колебания других типов, то по связкам про­ ходит ток. В этом случае связки представляют собой индук­ тивность, подключенную параллельно индуктивности резона­ тора. В результате общая индуктивность уменьшается, а час­ тота колебаний увеличивается.

Таким образом, связки позволяют увеличить различие в частотах колебаний типа я и других типов колебаний до 15%, что достаточно для устойчивой работы магнетрона в области я колебаний.

На волнах короче 3 см размеры связок становятся на­ столько малыми, что вызывают конструктивные затруднения. Кроме того, увеличиваются потери энергии в связках. Поэто­ му в диапазоне волн короче 3см используют разнорезонатор­ ные колебательные системы, в которых частоты колебаний

ны одна от другой вследствие большой разности собственных частот двух соседних связанных резонаторов. Это обеспечива­ ет значительную устойчивость колебаний в выбранном режиме работы магнетрона.

Ж . Способы настройки магнетрона

Диапазон возможной перестройки ограничивается раз­ ностью частот основного и близлежащего к нему типов коле­ баний и, следовательно, устойчивостью работы магнетрона.

Механическая перестройка магнетрона состоит в измене­ нии индуктивности или ёмкости резонаторов (или того и дру­ гого вместе) путем механического перемещения стержней, ко­ лец, расположенных внутри магнетрона (рис. 4.48).

При индуктивной настройке внутрь резонаторов вводят стержни, изменяющие величину индуктивности системы. Для ёмкостной настройки у щелей резонаторов располагают коль­ цо, перемещением которого изменяется ёмкость колебатель­ ной системы. Диапазон перестройки при этом равен 5-М 0% от номинальной частоты. В магнетронах часто применяют комбинированную перестройку частоты. В этом случае однов-

20 8

диафрагма

Катод

Плунжер для настройки

днодний д/юк

1 г Г ± ? f f

Сегменты

6

Рис. 4. 48. Способы настройки магнетрона.

ременно меняется индуктивность и ёмкость колебательной системы, а диапазон перестройки увеличивается до 40%• М е­ ханическая перестройка является основной в магнетронах. Магнетроны перестраиваются по частоте в небольшом диа­ пазоне (5— 10 мгц) электронными методами либо изменением напряжения на аноде, либо введением в высокочастотное по­ ле магнетрона пучка электронов, образованного специальным электронным прожектором.

Электронные методы перестройки магнетрона не нашли широкого использования в технике.

§4. 12. Модуляция колебаний

А. Общие сведения о модуляции

Гармонические колебания тока, напряжения или электро­ магнитного поля характеризуются тремя параметрами:

209