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

В большинстве многорезонаторных магнетронов используют­ ся колебания вида ~[п = ■— , в = itj . Объясняется это тем,

что при колебаниях вида - можно получить от магнетрона большую полезную мощность при наилучшем к.п.д. и, кроме того, легче предотвратить самопроизвольный переход на другие виды колебаний (при изменении вида колебаний, как будет рассмотрено ниже, скачкообразно изменяется частота генерации магнетрона).

В дальнейшем мы будем рассматривать только колебания основного вида ". При этом виде структура переменных полей резонаторов в магнетроне для некоторого фиксированного момента времени приведена на рис. 41. На этом рисунке

видно, что вследствие специфичной конфигурации объемных резонаторов типа „щель — отверстие1 переменное электричес­ кое поле сосредоточено в основном в щелях, а магнитное — в отверстиях. Вследствие краевого эффекта переменное электри­ ческое поле существует не только в щелях, но также между катодом и анодом (в пространстве взаимодействия), имея мак­ симальную величину непосредственно под щелями.

5.Движение электронов в магнетроне при взаимодействии

спеременными электрическими полями резонаторов

После того как мы узнали закономерности движения элек­ тронов в магнетроне под воздействием двух постоянных полей, можно рассмотреть влияние переменных полей резонаторов, колебания в которых вызываются движущимся пространственным зарядом. Поскольку электроны движутся в пространстве взаимо­

4 0

воздействием двух постоянных полей описывает циклоиду и

Анод

Рис. 43.

поля щелей на рис. 43), то за счет взаимодействия с Етэлектрон тормозится, отдавая часть своей энергии переменному электри­ ческому полю. Вследствие этого электрон не дойдет до катода, его скорость станет равной уже в точке С'. Из этой точки он начнет новый цикл движения мимо щели резонатора2 . Очевидно, что к этому времени электрическое поле щели резонатора 2 изменится в сравнении с показанным на рис. 43. Если это поле будет также тормозящим, то за счет взаимодей­ ствия с Ет электрон опять затормозится, отдав часть своей энергии переменному электрическому полю. Затем электрон

поверхности катода в другой момент времени, когда поле щели

41

либо понижается, либо выключается совсем. Нужная темпе­ ратура катода при этом поддерживается за счет бомбардировки его электронами.

Таким образом, за счет взаимодействия с тангенциальной составляющей переменного электрического поля щелей произ­ водится:

—поддержание колебаний в резонаторах за счет энергий движущихся электронов;

—„сортировка11 электронов на ^полезные11 и „вредные11. „Вредные" электроны быстро выводятся из пространства взаимо­ действия, а „полезные" — долго сохраняются в нем.

Натод

Ри с . 44 .

Влияние радиальной составляющей переменного электричес­ кого поля щелей Ер сводится к образованию неравномерного по плотности электронного потока. Поясним процесс группиро­ вания электронов с помощью рис. 45, считая, что переменное электрическое поле к моменту нашего рассмотрения достигло своего максимума. Электроны движутся вокруг катода со сред­ ней переносной скоростью

ния электрона 1 радиальная составляющая Ер направлена навстречу вектору Е, поэтому его переносная скорость

Е- Е п

ВVt.<V <v

42

В месте нахождения электрона Я Ер и Е совпадают по направ­ лению. Следовательно, .

Е -

V. I/.

Нели проанализируем движение электронов мимо щели, то увидим, что соотношение скоростей не изменится, т. е.

V > V > V .

Следоёат'ельно, при пролете электронов мимо тормозящей щели за счет взаимодействия с радиальной составляющей Ер электро­ ны 1, 2 и 3 сгруппируются, соберутся в сгусток.

Если рассмотреть пролет электронов мимо ускоряющей щели, то увидим, что она, наоборот, производит рассеивающее дей­ ствие.

Таким образом, за счет взаимодействия с радиальной сос­ тавляющей переменного электрического поля щелей происходит

группирование электронов в сгустки. Число сгустков равно половине числа резонаторов . По форме сгустки электронов

напоминают спицы колеса, поэтому их так часто и называют „спицы" (рис. 46). Такой пространственный заряд электронов перемещается вокруг катода со средней переносной скоростью.

6. Условие синхронизации

Как уже отмечалось выше, для получения незатухающих колебаний в колебательной системе магнетрона движение элек­ тронных сгустков („спиц") должно быть согласовано с измене-

43

нием переменного поля резонаторов, — каждая „спица" должна достигать следующей щели в тот момент, когда переменное электрическое поле будет максимально тормозящим. Это и есть условие синхронизации (условие самовозбуждения магнетрона).

Условие синхронизации в простейшем виде можно получить следующим образом (рис. 47). Среднее расстояние /ср . между двумя соседними щелями в магнетроне, имеющем N резонато­ ров. равно

где га — радиус анода, гк — радиус катода.

Средняя переносная скорость движения электронов

В реальном цилиндрическом магнетроне величину напряженности постоянного электрического поля приближенно можно найти, как

Е Uа Га~Гк

Тогда время движения электронной „спицы" от одного резо­ натора до соседнего

Если этот угол 'f0 равен сдвигу по фазе между колебаниями в со­ седних резонаторах

44

то к моменту прихода „спицы" к следующей щели фаза пере­ менного электрического поля в нем будет такая же, как и в предыдущей. Следовательно, условие синхронизации можно записать как

было рассмотрено выше, магнетрон работает только прц В ^ В Щ.

45

Величина критической индукции Зкр зависит от анодного напря­ жения U.d, Связь между Вкр и UA выражается формулой

В6 ,7 2 Y U

Кривая, описываемая этим выражением, называется параболой критических режимов.

График, приведенный на рис. 48, дает наглядное представле­ ние о том, что при определенном значении магнитной индукции

дить колебания других видов. Следовательнодля возбуждения колебаний вида - нужно наименьшее анодное напряжение. Это напряжение должно быть сравнительно неизменным, чтобы не было самопроизвольного перехода на другой вид колебаний.

Более полное рассмотрение показывает, что в магнетроне возможно возникновение колебаний и при меньших анодных напряжениях, чем напряжение возбуждения --вида. Такие коле­ бания поэтому называют низковольтными. Низковольтные коле­ бания могут возникать при импульсной работе магнетрона, если

низковольтные виды, импульс анодного напряжения магнетрона

объемных резонаторов. Между резонаторами существует индук­

46

L

47

между колебаниями в соседних резонаторах. Следовательно, магнетрон имеет ~ -j- 1 резонансных частот. Следует отметить,

что на практике колебания с ср = 0 (п = 0) не наблюдаются; 2) частота колебаний основного --вида ( п — , ? = -] наи­

меньшая.

Примерный график зависимости резонансной частоты от но­ мера вида колебаний для магнетрона, имеющего восемь ре­ зонаторов, приведен на рис. 50 (кривая /). Частота колебаний

вида Tc^ = - y = : 4 j отличается от частоты колебаний соседне­

(2-4-5) (>0. Поэтому, как уже было отмечено при рассмотрении условия синхронизации, при случайном небольшом изменении анодного напряжения возможно скачкообразное изменение частоты вследствие самопроизвольного перехода с основного вида колебаний на соседний вид. Кроме того, при этом умень­ шается полезная мощность и к.п.д. м.агнетрона.

Для обеспечения устойчивой работы магнетрона на основном --виде колебаний используется разделение резонансных частот колебательной системы. Существуют два основных способа раз­ деления частот:

—применение связок,

—применение разнорезонаторной колебательной системы,

48

Связки обычно представляют собой два медных кольца, по­ мещенных над анодным блоком с разных сторон (см. рис. 30, 5). Одно кольцо соединяют с четными сегментами, второе — с не­ четными (рис. 51). Действие связок заключается в следующем. Для колебаний вида - связки соединяют между собой экви­ потенциальные точки (но высокой частоте) анодного блока. Поэтому токи по связкам не протекают, и они не вносят допол­ нительных индуктивностей в колебательную, систему. Но при колебаниях вида ~ между связкой и сегментами, с которыми

ных индуктивностей, подключенных параллельно индуктивности

ний.

В магнетронах, работающих на волнах порядка 3 см и мень­ ше, использование связок затруднительно вследствие малых размеров анодного блока и увеличения потерь в связках. Поэтому здесь для разделения частот используется разнорезо­ наторная колебательная система, представляющая собой сово­ купность двух групп связанных между собой резонаторов различных размеров (рис. 52). Резонансные частоты такой коле­ бательной системы будут тем больше разделяться между собой, чем больше будут различаться резонансные частоты этих двух