книги из ГПНТБ / Басалов Ф.А. Некоторые вопросы техники сверхвысоких частот [конспект лекций]

ного импульса возбуждающего резонатор напряжения. Как было

Собственно/е

копебаная

Рис. 28.

когда поле из ускоряющего становится тормозящим. Время пролета этого электрона тпр определяется напряжением на отражателе U0!p и остается постоянным. Следовательно, карти­ на, показанная на рис. .28. будет периодически повторяться.

Из рис. 28 следует, что при U0Jp < £/отро, т. е. при тпр > тпро,

период генерируемых колебаний Г '> Г , следовательно, частота генерируемых колебаний / ' < / 0.

Аналогично можно показать, что при £/отр > Umpo частота

генерируемых колебаний / ' > /0. Изменяя напряжение на отражателе, можно изменять частоту колебаний клистрона в некоторых пределах относительно График зависимость / = <р(£/0тр) для одной зоны генерации приведен на рис. 29.

Электронная перестройка характеризуется двумя параметра ми: диапазоном и крутизной.

30

При изменении напряжения на отражателе изменяется не только частота, но и выходная мощность. В связи с этим диапа­ зоном электронной перестройки А / называют диапазон частот,

Объем резонатора изменяется путем введения в его полость специальных регулирующих плунжеров (стеклянные клистроны) или путем изменения расстояния между сетками (металлические клистроны).

Путем механической перестройки частоту клистрона можно изменять в довольно широких пределах (до 50 %).

Отражательные клистроны широко используются в радио­ приемных устройствах СВЧ в качестве местных гетеродинов. Кроме того, они используются в измерительной технике и других устройствах СВЧ.

§ 5. МАГНЕТРОНЫ

Магнетроны являются мощными генераторами колебаний нижней части дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн, используются в импульсном и непрерывном режимах работы. Например, в сантиметровом диапазоне волн мощность импульсного магнетрона может достигать нескольких мегаватт (при длительности импульсов порядка единиц микро­ секунд и скважности порядка 1000).

По своему устройству магнетроны являются двухэлектродны­ ми лампами, в которых движение электронов происходит не толь­

чили многорезонаторные магнетроны, у которых колебательная система состоит из ряда связанных между собой объемных

31

Рис. 30.

Анодный блок магнетрона представляет собой массивный медный цилиндр, . вдоль оси которого сделано отверстие для размещения катода. Между катодом и анодом имеется прост­ ранство, называемое пространством взаимодействия. Колебатель­ ная система магнетрона состоит из ряда объемных резонаторов,

Сегменты

Рис. 31.

располагающихся по окружности анодного блока. Резонансная частота каждого объемного резонатора определяется его размерами и конфигурацией. Широкое распространение в маг­ нетронах имеют резонаторы типа „щель—отверстие1' (рис. 31, а), применяются также резонаторы секторного (рис. 31, б) и дру­ гих типов. В зависимости от типа магнетрона число резонато­ ров, оставаясь четным, колеблется в пределах от б до 40, причем с ростом частоты генерируемых колебаний число резонаторов увеличивается. Анодный блок с резонаторами и

32

Стеипо(dna сохр<хнени.я 6а нуума.)

Рис. 32.

Вследствие того, что объемные резонаторы своими магнит-, ными и электрическими полями связаны в единую колебатель­ ную систему, вывод энергии осуществляется из какого-либо одного резонатора. Широкое применение на практике имеют коаксиальное и волноводное устройства для вывода энергии. Коаксиальное уст­ ройство состоит из петли связи, возбуж­ дающей коаксиальную линию, идущую к антенне. Если в качестве линии пе­ редачи электромагнитной энергии от магнетрона к антенне используется вол­ новод, то делается еще коаксиально­ волноводный переход (см. рис. 30, 6').

На волнах короче 3 см используются волноводные устройства для вывода энергии (рис. 32). Здесь для возбуждения волноводной линии передачи исполь­ зуется щель, с помощью которой осу­

ществляется также согласование сопротивлений магнетрона и волновода.

Импульсные магнетроны работают при высоких анодных напряжениях t/a, достигающих нескольких десятков киловольт. Анодный блок магнетрона, являясь его корпусом, заземляется, поэтому катод находится под высоким отрицательным потен­ циалом. Схема питания магнетрона приведена на рис. 33.

Для нормальной работы магнетрона в его пространстве взаимодействия должно существовать постоянное магнитное поле, направленное вдоль оси анодного блока. Для создания такого поля в настоящее время используются постоянные магниты, между полюсами' которых помещают магнетроны (внешняя магнитная система, рис. 34). Применяются также и

пакетированные магнетроны, у которых магнитная система является конструктивной частью самого магнетрона (рис. 35). В таких магнетронах расстояние между полюсами магнита уменьшается, следовательно, можно получить необходимую величину магнитной индукции при меньших габаритах и ве- Вывод макало се мап чина м

Принцип действия магнетрона, так же как и рассмотренного выше отражательного клистрона, заключается в следующем. Для получения незатухающих колебаний в колебательной системе магнетрона необходимо непрерывно пополнять ее запас энергии, чтобы компенсировать потери. В магнетроне поддер­ жание незатухающих колебаний происходит за счет движущего­ ся в пространстве взаимодействия электронного потока, который

переменное электрическое поле. Силовые линии этого поля для

34

при своем движении все время встречался бы с тормозящим полем у конденсаторов.

Рассмотренная нами система упрощенно эквивалентна плос­ кому „развернутому" магнетрону. Следовательно, эти условия можно отнести и к магнетрону. В магнетроне электроны движутся в пространстве взаимодействия под воздействием трех полей:

— постоянного электрического ноля между анодным блоком

икатодом:

—постоянного магнитного поля, перпендикулярного электри­ ческому;

—переменного высокочастотного электрического поля у щели каждого объемного резонатора.

Врезультате такого движения и выполняются сформули­ рованные выше условия. Рассмотрим это подробнее,

3. Движение электронов в магнетроне

Рассмотрим сначала движение электронов в плоском магнет­ роне иод воздействием постоянных электрического и магнитного полей. В этом случае магнетрон можно представить себе как прибор, имеющий два плоских электрода: катод и анод

Анод

Рис. 37.

(рис. 37). Между электродами действует постоянное электри­ ческое поле, величина напряженности которого

р__. Р а

^“ а ’

где d — расстояние между электродами. Кроме того, в прост­ ранстве между электродами действует постоянное магнитное поле с индукцией В, направленное перпендикулярно электри­ ческому.

На электрон, вылетевший из катода в точке А, будет действовать сила

В = В Э+ F „ ,

36

где F3—— eE — сила, действующая на электрон со стороны электрического поля;

FM= — e (V Х.В) — сила, действующая на электрон со стороны магнитного поля;

V — вектор скорости электрона.

Сила F3 постоянна по величине и направлению. Сила FM, наоборот, изменяется по величине и направлению, так как она зависит .от скорости V. Поскольку сила FM перпендикулярна скорости, то она не изменяет ее величины, а влияет только па ее направление.

Под действием сил F3 и FM электрон будет двигаться сле­ дующим образом. Будучи эмиттирован точкой А катода, электрон начнет двигаться к аноду под действием силы F3, приобретая энергию у электрического поля. Сила FM при этом невелика вследствие малой величины скорости электрона V ^O . По мере роста скорости электрона увеличивается величина силы Ем, траектория движения электрона при этом искривляется. Если величина магнитной индукции В достаточно велика, то пройдя точку В. где скорость электрона максимальна, он начинает обратное движение к катоду (к точке С). При своем обратном движении электрон тормозится за счет действия силы F3, отдавая электрическому полю приобретенную энергию, и под­ ходит к точке С катода со скоростью Иг=гО. После этого электрон начнет новый цикл движения.

Траектория, которую описывает электрон при своем движе­ нии, является циклоидой. Это может быть доказано путем решения уравнения

F = - e [ £ + ( v X f i ) ] •

Известно, что циклоиду описывают точки круга, катящегося без скольжения по плоскости. Такой круг, катящийся по плоскости катода, показан и на рис. 37. При этом центр круга перемещается со скоростью

которая соответствует средней переносной скорости движения электронов в направлении, параллельном катоду.

При неизменной величине анодного напряжения Ua радиус круга, описывающего циклоиду, зависит от величины магнитной

37

конструкцию, поэтому электроны в нем движутся по эпицикло­

Анод

1а

_____L- В

Рис. 39.

непрерывно эмиттирует со всех точек своей поверхности гро­ мадное число электронов, которые, двигаясь по эпициклоидам при В > 5 кр, образуют пространственный заряд, двигающийся вокруг катода со средней переносной скоростью

38

Выв о д ы

1.В магнетроне под воздействием постоянных'электрического и магнитного полей при В > fiKp образуется пространственный заряд электронов, который движется вдоль анода и катода со

средней переносной скоростью

2. Движущийся пространственный заряд электронов обладает определенной кинетической энергией, полученной за счет пос­ тоянного электрического поля (т. е. за счет источника анодного питания й а).

4. Виды колебаний в многорезонаторном магнетроне

В этом случае, начав движение по кольцу от какого-либо резонатора; имеющего определенную начальную фазу колебаний, и обойдя все N резонаторов, придем к исходному резонатору с его начальной фазой. Следовательно,

N резонаторов, возможно существование - у + 1 видов колеба­

ний.

39