книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

В уже прошёл центр щели и, следовательно, движется с опере­ жением.

В средней плоскости. 0 0 ' радиальная составляющая перемен­ ного поля равна нулю; поэтому электрон, проходящий через плос­ кость 0 0 ', изменения скорости не испытывает. В точках, левее средней плоскости, радиальная составляющая переменного поля складывается с постоянным радиальным полем анода, что вы­ зывает увеличение скорости электрона, находящегося левее сред­ ней плоскости. Правее средней плоскости радиальная составляю­ щая высокочастотного поля направлена навстречу постоянному полю анод—катод Е0 и, уменьшая действующую здесь на элект­ рон силу, уменьшает его скорость. Так как за время пролёта электронов под щелью поле успевает несколько измениться по величине, то для запаздывающего электрона А увеличение ско­ рости перед щелью будет больше, чем уменьшение скорости за щелью, тогда как для опережающего электрона В, наоборот, увеличение скорости перед щелью будет меньше, чем уменьшение скорости за щелью. Вследствие таких изменений скоростей бу-

%

дет происходить сближение электронов и они более компактной

группой будут входить в тормозящее поле щели следующего ре­ зонатора.

На рис. 16.10 показана пунктиром форма пространственного заряда в работающем многорезонаторном магнетроне, получен-

430

ная в результате теоретического расчёта. Траектории электро­ нов, вылетающих из катода в различные моменты времени, пока­ заны в системе координат, неподвижной относительно вращаю­ щегося «облака». Как видно из рисунка, пространственный за­ ряд в работающем магнетроне сильно деформирован и имеет своеобразные «спицы», число которых в два раза меньше числа резонаторов. Весь заряд в целом вращается вокруг катода син­ хронно с изменением высокочастотного поля так, что «спицы» подходят к щелям резонаторов, где имеется наиболее интен­ сивное высокочастотное поле, каждый раз в тот момент, когда это поле является тормозящим. При этом электроны «спицы» передают свою кинетическую энергию полю резонаторов.

Деформация пространственного заряда в магнетроне и об­ разование в нём «спиц» являются результатом рассмотренного нами воздействия высокочастотного поля резонаторов на элек­ тронный поток («сортировка» электронов тангенциальной со­ ставляющей поля и «группировка» радиальной составляющей).

§ 16.3. Рабочие режимы и характеристики магнетрона

Рабочий режим магнетрона определяется величиной посто­ янного напряжения анода, индукцией магнитного поля и часто­ той генерируемых колебаний. Все эти величины связаны между собой определёнными соотношениями.

Отметим прежде всего, что в работающем магнетроне ин­ дукция магнитного поля В должна быть больше В кр или, иначе говоря, постоянное напряжение анода U а должно быть меньше критического (16.6):

График этой зависимости, называемый параболой критичес­ кого режима, показан на рис. 16.11, и на нём штриховкой отме­ чена область значений (1)а, В), в которой генерирование коле­

Как было показано в предыдущем параграфе, для обеопечения синхронного движения электронного потока в магнетроне необхо­ димо, чтобы анодное напряжение U а и индукция магнитного по­ ля В удовлетворяли при колебаниях вида ^ соотношению (16.9). Однако магнетрон может генерировать и другие виды колебаний, если только обеспечен синхронизм движения электронного пото­ ка и высокочастотного поля данного вида. Так как фазовый сдвиг между колебаниями в соседних щелях для колебаний типа п равен

43 J

то для обеспечения синхронизма время пролёта электронов от щели до щели должно иметь величину

генерирования колебаний следующего вида (я = 3) и т. д. Для обеспечения генерирования колебаний определённого вида не­ обходимо, чтобы напряжение на магнетроне во время работы не изменялось в слишком широких пределах, так как в против­ ном случае возможен «перескок». Практически дело осложняет­ ся тем, что электронный поток может также возбуждать коле­ бания так называемых обратных видов, при которых волна электромагнитного поля движется навстречу электронному по­ току. Эти виды колебаний возбуждаются при меньших напря­ жениях, чем вид тс. Для одного из обратных видов характери­ стика показана на рис. 16.11. пунктиром.

■) Практически ф-ла (16.10) даёт несколько завышенные значения поро­ гового напряжения. Более точные выражения см. в книге В. Ф. К о в а л е н- к о «Введение в электронику сверхвысоких частот». Изд. «Советское радио». 1955 г.

432

Рассмотрим теперь вольтамперную характеристику генериру­ ющего магнетрона, т. е. зависимость между постоянной состав­ ляющей анодного тока магнетрона 1а и постоянным напряже­ нием на его аноде Vа при заданной индукции магнитного поля В и при заданной нагрузке. Наличие анодного тока в работающем магнетроне, несмотря на то, что индукция магнитного поля В имеет величину больше критической, объясняется рассмотрен­ ным в предыдущем параграфе влиянием тангенциальной состав­ ляющей на траектории электронов правильной фазы, которые вследствие этого заканчивают свой путь на аноде, образуя анод­

индукции магнитного поля В напряжение на аноде генерирую­ щего магнетрона может изменяться в некоторых пределах без нарушения его нормальной работы. Обычно это изменение анод­ ного напряжения может доходить до 10—20% от среднего зна­ чения.

При снижении анодного напряжения ток через магнетрон сни­ жается, мощность генерируемых колебаний падает и, наконец, при некотором значении ( 0 амин, 1амин) работа магнетрона ста­ новится неустойчивой и генерация срывается. Поэтому в области малых токов магнетроны практически использованы быть не мо­ гут и их вольтамперные характеристики в этой области не сни­ маются.

При увеличении анодного напряжения ток через магнетрон возрастает, мощность генерируемых колебаний растёт. При зна­ чительном увеличении напряжения может произойти перескок на

другой вид колебаний, либо возникает перегрузка магнетрона (перегрев анода, пробой вывода энергии, искрение, перегрузка катода и т. д.). Этими факторами и ограничиваются возможные значения Ua, 1п сверху.

Приближённое выражение для вольтампериой характеристи­ ки магнетрона, дающее приемлемые для практики результаты, было найдено В. Ф. Коваленко и имеет следующий вид:

В этой формуле h — высота анодного блока, X— длина волны. При практическом использовании магнетронов необходимо знать коэффициент полезного действия магнетрона и величину генерируемой им мощности. Обе эти величины зависят от режи­ ма работы. Поэтому в качестве рабочих характеристик магнетро­ на берут, кроме рассмотренных нами вольтамперных характерис­

Рассмотрение рабочих характеристик магнетрона показывает, что коэффициент полезного действия магнетрона возрастает с ростом индукции магнитного поля, что можно объяснить, исходя из следующих соображений.

Энергия, получаемая электроном от постоянного электричес­ кого поля анода, равна WQ= eU а. Кинетическая энергия, с кото-

mv„

рои падают электроны на анод, нагревая его, W n =

434

Энергия, передаваемая электроном высокочастотному полю, равна разности этих энергий, W = W 0—Wa, и коэффициент'полез­ ного действия электронного потока равен

Полагая движение электронов циклоидальным и считая, что большинство электронов попадает на анод на вершине циклоиды,

Ш /////Ш Ж Ж /Ж Щ .

Так как Uа и В связаны между собой линейно условием синхронизма (16.10), то из (16.12) следует, что кпд магнетрона возрастает с ростом Uа и В. Это объясняется тем, что с увеличе­ нием индукции В уменьшается размах циклоиды ZMaKC и, следо­ вательно, уменьшается длина последнего участка пути электро­ на Z макс, , на котором он, пройдя разность потенциалов U, наби­ рает кинетическую энергию, передаваемую затем аноду

(рис. 16.146).

При значительном увеличении индукции В коэффициент по­ лезного действия электронного потока может стать весьма вы­ соким, однако практически это ограничивается габаритами, ве-1 сом и стоимостью магнитной системы. Следует также учесть, что часть энергии электронного потока расходуется на бомбардой

ровку катода. Поэтому практически коэффициент полезного дей­ ствия электронного потока в магнетроне т)9Л лежит в пределах от 35 до 70%, а коэффициент полезного действия магнетрона ц

зависит от величины тока, проходящего через магнетрон, до­ стигая максимального значения при некоторой оптимальной его величине. Уменьшение кпд при малых токах ( 7 „ < /0„го) . объяс­ няется недостаточной группировкой электронного потока слабым высокочастотным полем, вследствие чего «спицы» электронного облака оказываются расплывшимися и значительная часть электронного потока взаимодействует с высокочастотным полем

ровка также ухудшается за счёт взаимного расталкивания элек­ тронов в потоке; при этом кпд падает.

отсюда

U a = ~ T ~ -

т|/а

При Р = const (16.13) является уравнением характеристик по­ стоянной генерируемой мощности, и если бы кпд магнетрона не зависел от режима, то эти характеристики являлись бы гипербо­ лами. Но так как из-за рассмотренных выше причин кпд магнет­ рона с изменением режима меняется (уменьшаясь при снижении анодного напряжения обычно до 1,5—2 раз в пределах рабочих режимов), то линии P = const снижаются менее круто,чем гипер­ болы.

В заключение отметим, что в магнетронах наблюдается не­ большое изменение частоты генерируемых колебаний при измене­ нии его рабочего режима. Это явле­ й{ ние носит название электронного смещения частоты. Характер такой зависимости показан на рис. 16.15.

Физически явление электронного смещения частоты аналогично явле­ но нию электронной настройки в отра­ жательных клистронах и объясняет­ ся тем, что электронный поток, воз­ буждающий колебания в резонато­

рах, имеет, кроме активной проводимости, обусловливающей пе­ редачу энергии резонаторам, также и реактивную проводимость, влияющую на резонансную частоту резонаторов. Так как вели-

436

чина реактивной проводимости зависит от скорости вращения электронного потока, т. е. от анодного напряжения, то при из­ менении режима работы магнетрона частота генерируемых ко­ лебаний изменяется.

Величина электронного смещения измеряется в мегагерцах на ампер анодного тока и в магнетронах сантиметрового диапазона составляет от нескольких десятых мегагерца на ампер в номи­ нальном режиме до 1,5 ^ 2 Мгц на ампер при малых токах.

§ 16.4. Детали устройства и конструкции многорезонаторных магнетронов

Полагая, что точка пересечения характеристики порогового напряжения для колебаний вида те с параболой крити­ ческого режима (рис. 16.11) определяет минимальные значения анодного напряжения и индукции магнитного поля, при которых магнетрон ещё может генерировать колебания, получим из (16.6) и (16.9), что рабочее напряжение на аноде магнетрона и рабо­ чая индукция магнитного поля должны удовлетворять соотно­ шениям:

(16.14)

(16.15)

Отсюда видно, что чем выше рабочая частота, тем выше тре­ буется анодное напряжение и тем больше должна быть индукция магнитного поля. Для того чтобы работать при меньших значе­ ниях анодного напряжения и индукции магнитного поля, необхо­ димо увеличивать число резонаторов. Поэтому в магнетронах всегда берётся большое число резонаторов (от 6 до 40), причём большее количество резонаторов имеют, как правило, магнетро­ ны для более коротких волн. ■

Резонаторы колебательной системы магнетрона связаны меж­ ду собой сильной связью за счёт взаимодействия их высокочас­ тотных полей, например, магнитных, силовые линии которых на торцовых концах анодного блока переходят из одного резонатора в другой. Вследствие сильной связи между резонаторами коле­ бания в них возбуждаются не на собственной частоте, а на одной из частот связи, величина которых зависит от собственной часто­ ты резонаторов, от связи между резонаторами и от возможной расстройки резонаторов. Воё это, вместе взятое, вызывает боль­ шую многоволнистость колебательной системы магнетрона, причём резонансные частоты все довольно близко сгруппированы. По­ следнее обстоятельство может привести к тому, что, кроме нор­ мально создаваемых колебаний (обычно вида те ), в магнетроне

437

будут возбуждаться колебания другого вида, близкие по частоте

Так как частоты связи отстоят друг от друга тем больше, чем сильнее связь между резонаторами или чем сильнее расстроены резонаторы между собой, то в современных конструкциях магне­ тронов для достижения указанной цели или увеличивают связь

Рис. 16.16

между резонаторами при помощи специальных «связок», или ус­ траивают систему из чередующихся резонаторов больших и ма­ лых размеров с резко отличающимися собственными частотами.

Первый способ заключается в том, что при помощи прово­ лочных связок анодные сегменты соединяются между собой через один (1-й сегмент с 3-м, затем с 5-м и т. д., 2-й сегмент с 4-м, затем с 6-м и т. д.).

Применяемые конструкции связок показаны на рис. 16.16. В первой конструкции, наиболее простой (рис. 16.16а), одни сег­ менты, например нечётные, присоединены к проволочному кольцу, расположенному с одного конца анодного блока, другие сег­ менты соединяются с кольцом, находящимся с другой стороны анодного блока. На рис. 16.166 показано соединение сегментов при помощи отдельных коротких проволок—связок, которые при­ соединяются к сегментам как на одной, так и на другой торцовой поверхности анода. В третьем случае (рис. 16.16s) соединение осуществляется кольцами, но с каждой стороны помещаются по два кольца для соединения как чётных, так и нечётных сегмен­ тов.

Присоединённые к анодным сегментам по той или иной схе­ ме связки за счёт своей ёмкости и индуктивности изменяют ча­ стоту колебаний различного вида. Для колебаний вида тс пре­ обладает влияние ёмкости связок, вследствие чего собственная

438

частота резонатора для этих колебаний несколько уменьшается.

ду сегментами, соединёнными связкой, не равна нулю, по связ­ кам течёт ток и в результате преобладает действие индуктивно­

сти связок, которая шунтирует резонатор, что вызывает повы­ шение собственных частот резонатора для этих колебаний (рис. 16.17). Благодаря такому влиянию, применение связок ока­ зывается благоприятным для установления рабочего режима с

ны для очень коротких волн. Отсутствие связок и потерь мощ­ ности в них позволяет также получить от этих магнетронов луч­ ший коэффициент полезного действия по сравнению с магнетро-

‘ 439