Методы / El-Vac Devices of UHF 11 Full

–зависимость генерируемой частоты от анодного напряжения для двухтрёх значений магнитной индукции;

–зависимость порогового напряжения от магнитной индукции.

6.Расчет параболы критического режима и зависимости порогового напряжения от магнитной индукции (формулы (6.1) и (6.6)) результаты расчета представляются в виде графиков.

7.Расчет электронного КПД магнетрона по формуле (6.9) для трех значений магнитной индукции; величина анодного напряжения берется при этом из полученных в эксперименте вольтамперных характеристик.

Примечание. Необходимые для расчетов по формулам (6.1), (6.6), (6.9) параметры приведены в «Инструкции по включению установки и проведению измерений».

6.6.Контрольные вопросы

1.Как происходит в многорезонаторном магнетроне процесс преобразования энергии источника питания в энергию высокочастотных колебаний?

2.Каковы особенности колебательной системы магнетрона?

3.Каковы особенности колебаний магнетрона π -вида?

4.Какие условия должны быть выполнены для того, чтобы в магнетроне передача энергии от электронного потока высокочастотному полю колебательной системы была эффективной?

7.ИССЛЕДОВАНИЕ МИТРОНА

Цель работы: ознакомление с устройством, параметрами, основными характеристиками митрона, а также с аппаратурой и техникой измерения характеристик.

7.1.Основные теоретические положения

7.1.1.Назначение и устройство митрона

Митрон относится к генераторам СВЧ магнетронного типа (типа М), в которых поток электронов движется под воздействием скрещенных электрического и магнитного полей. Отличительными особенностями митрона являются возможность электрической перестройки частоты в широком диапазоне частот, линейность частотной характеристики, высокий (более 40 %) КПД, компактность и малый вес. Эти достоинства обусловили широкие возможно-

61

сти применения митронов в современных радиоэлектронных системах. В зависимости от уровня выходной мощности они применяются в качестве гетеродинов малошумящих приемников, генераторов с быстрой перестройкой частоты, в выходных каскадах передатчиков станций заградительных помех противорадиолокационных систем и т. п. [12].

Устройство митрона позволяет рассматривать его как особую разновидность магнетронного генератора. Главными конструктивными отличиями митрона являются использование однорезонаторной низкодобротной (широкополосной) колебательной системы и размещение катода за пределами пространства взаимодействия. Эти особенности конструкции обеспечивают возможность электрической перестройки частоты в широком диапазоне частот путем изменения анодного напряжения митрона. В частности, широкополосность колебательной системы является условием сохранения интенсивности высокочастотного поля в пространстве взаимодействия при изменении частоты генерируемых колебаний. Размещение катода вне пространства взаимодействия позволяет сохранить практически неизменной величину анодного

1 2

N

6

9 10

Рис. 7.1

тока при изменении анодного напряжения и тем самым уменьшить изменение уровня выходной мощности при электрической перестройке частоты. Схематично типичный вариант конструкции митрона показан на рис. 7.1

62

Пространство взаимодействия расположено между анодной системой 1 и «холодным» катодом 6, необходимым для создания радиального электрического поля. Спиральный эмитирующий катод 3 из торированного вольфрама вместе с управляющим электродом 4 образует электронную пушку. В качестве системы 1 обычно используется встречно-штыревая структура, свернутая в кольцо. Штыревая структура укреплена на двух дисках. Число штырей зависит от рабочего диапазона генерируемых частот и колеблется у современных митронов от 2 до 18. Анодную систему 1, «холодный» катод 6 и электронную пушку, образующие переходную область 5 для электронного пучка, помещают в вакуумный баллон, ограниченный дисками 2 и тремя керамическими шайбами 7. Скомпонованная таким образом вакуумная оболочка устанавливается в широкополосной внешней колебательной системе 9 (тороидальный резонатор с собственной добротностью Q0 , не превышающей 10 единиц) между полюсными наконечниками постоянного магнита 8 так, чтобы направление силовых линий однородного магнитного поля совпадало с осью эмитирующего и «холодного» катодов. Связь колебательной системы 9 с линией передачи обеспечивается с помощью петли связи 10.

7.1.2. Принцип работы митрона

Из рис. 7.1 видно, что вакуумная оболочка установлена в пучности высокочастотного электрического поля тороидального резонатора, поэтому соседние штыри анодной системы имеют высокочастотный потенциал противоположной полярности. Отсюда следует, что высокочастотное поле

пает в пространство взаимодействия и под действием только статических радиального электрического и продольного магнитного полей с напряженностью E и H , соответственно, вращается вокруг «холодного» катода с азиму-

63

тальной скоростью вращения, определяемой известным соотношением

vE B .

Втаком замкнутом кольцевом электронном потоке в пространстве взаимодействия возникают азимутальные уплотнения (сгустки) вследствие флуктуационных изменений плотности пространственного заряда. Вращающиеся сгустки электронов наводят переменные токи в штыревой анодной системе, которые, в свою очередь, создают высокочастотное электрическое поле между штырями, оказывающее дополнительное группирующее воздействие на пространственный заряд. Электронный поток формируется в четко выраженные «спицы», аналогичные «спицам» магнетрона. Таким образом, движение электронов определяется действием трех сил: скрещенных статических электрического и магнитного полей и высокочастотного электрического поля анодной системы. Строго говоря, на электроны действует также и четвертая сила со стороны пространственного заряда, создаваемая другими электронами. Ее действие выражается в разгруппировке, т. е. образовании неупорядо-

30

f

2,8 1

10

Ia

Рис. 7.3

ченных электронных сгустков, что приводит к отклонению реальной конфигурации спицы от рассматриваемой идеализированной. Однако при качественном рассмотрении принципа работы приборов влиянием сил пространственного заряда можно пренебречь. Под действием указанных трех сил дви-

64

жение электронов в направлении анодной системы в приборах типа М происходит по сложной циклоидальной траектории (подробнее см. 6). В процессе этого движения потенциальная энергия электронов преобразуется в энергию электромагнитного поля, подобно тому как это происходит в многорезонаторном магнетроне.

7.1.3. Рабочие характеристики и параметры митрона

Существует два способа управления параметрами генерируемых колебаний митрона – изменением анодного напряжения Ua и изменением напряжения управляющего электрода Uупр . В связи с этим различают два вида ха-

рактеристик: рабочую, представляющую собой зависимость частоты f и выходной мощности Pвых от анодного напряжения Ua при постоянном напряжении Uупр (рис. 7.3), и модуляционную – зависимость f и Pвых от Uупр

при фиксированном напряжении Ua (рис. 7.4).

Зависимость частоты от анодного напряжения выражается формулой

r2 r2 Ua 2π Bf a N к ,

которая следует из условия синхронизма движения электронов и изменения высокочастотного поля (см. (6.4)). Таким образом, при постоянном магнитном поле и заданной геометрии пространства взаимодействия между генерируемой частотой и анодным напряжением имеет место линейное соотношение. Диапазоном электрической перестройки частоты митрона называется интервал частот, генерируемых митроном при изменении рабочего анодного напряжения от минимального до максимального. Ширина частотного диапазона характеризуется коэффициентом перестройки k , равный отношению макси-

На рис. 7.3 и 7.4 показан типичный вид рабочих и модуляционных характеристик митрона, характеризующихся линейной зависимостью частоты от анодного напряжения и практически линейной зависимостью выходной мощности от управляющего напряжения. Отклонение частотной характеристики от линейной у широкополосных митронов с перестройкой по частоте в пределах октавы

65

( k 2 ) и более во всем частотном диапазоне не превышает ± 1 % средней частоты fср рабочего диапазона, а для узкополосных митронов повышенной мощно-

сти это отклонение оказывается несколько большим. Некоторая неравномерность амплитудной характеристики митрона СВЧ диапазона ( Pвых f Ua ) объясняется в основном изменением величины добротности внешней колебательной системы по диапазону электрической перестройки и неравномерностью коэффициента стоячей волны ( Kсв ) высокочастотной нагрузки, приводящей к отражению части мощности от нагрузки, и следовательно, к изменению режима генерирова-

Рис. 7.4

ния колебаний. У широкополосных митронов неравномерность амплитудной характеристики не превышает 4…5 дБ во всей полосе генерируемых частот, а у узкополосных она не превышает 1…2 дБ. Уменьшение выходной мощности и анодного тока Ia при некотором граничном значении Uупр объясняется начи-

нающимся при этом напряжении интенсивным перехватом электронов управляющим электродом.

Крабочим параметрам митрона относятся:

–полный КПД η, определяемый отношением выходной мощности к подводимой:

66

оценить приближенно по относительной ширине частотного диапазона перестройки.

7.2.Описание конструкции исследуемого митрона

Вработе исследуется митрон, конструкция которого аналогична описанной в 7.1. Электронная пушка митрона состоит из спирального эмитирующего катода из торированного вольфрама и управляющего электрода. Пространством взаимодействия является встречно-штыревая структура, свернутая в кольцо и укрепленная на двух дисках. Электронная система, размещенная в вакуумной оболочке, устанавливается в широкополосной внешней колебательной системе (тороидальный резонатор) между полюсными наконечниками постоянного магнита. Связь митрона с линией передачи обеспечивается с помощью петли связи.

Параметры рабочего режима митрона приведены в отдельной «Инструкции по включению установки и проведению измерений».

7.3.Описание измерительной установки

Схема измерительной установки представлена на рис. 7.5. Высоковольтная часть схемы включает в себя исследуемый митрон, помещенный в защитный корпус из органического стекла, а также регулируемые источники питания анодной и управляющей цепи и источник накала. Стабилизированный источник питания 1 подает напряжение между катодом и заземленной анодной системой. Анодный ток и анодное напряжение контролируются приборами A1 и V1. Стабилизированный источник питания 2 подает напряжение на управляющий электрод. Ток и напряжение на управляющем электроде контролируются приборами А2 и V2. Питание накала митрона осуществляется стабилизированным источником напряжения, размещенным в изолированном блоке 3.

67

Внимание: Необходимо следить за тем, чтобы ток управляющего электрода был равен нулю.

Высокочастотная часть схемы содержит коаксиальный тракт 4 с ферритовым вентилем 5, частотомер с цифровой индикацией 6, измерительную линию 7 и измеритель мощности 8.

Рис. 7.5

Правила эксплуатации блоков питания и измерительной аппаратуры приводятся в отдельной «Инструкции по включению установки и проведению измерений».

7.4. Содержание работы

1. Ознакомиться с теоретической частью работы и с описанием измерительной установки.

2.Ознакомиться с «Инструкцией по включению установки и проведению измерений».

3.Включить установку в соответствии с «Инструкцией» и снять следующие характеристики:

– зависимости выходной мощности, генерируемой частоты и анодного тока от анодного напряжения при различных фиксированных напряжениях управляющего электрода (по указанию преподавателя);

– зависимости выходной мощности, генерируемой частоты и анодного тока от напряжения управляющего электрода при различных фиксированных значениях анодного напряжения (по указанию преподавателя).

4.Снять характеристики зависимостей, указанных в п. 3, при работе ми-

68

трона на рассогласованную нагрузку, а также зависимость нагрузки от анодного напряжения (необходимые изменения в схеме произвести по указанию преподавателя).

5.Провести сравнение характеристик по п. п. 3 и 4.

7.5.Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Схематический чертеж митрона с обозначением его основных узлов.

3.Схема измерительной установки и перечень использованных измерительных приборов.

4.Таблицы полученных экспериментальных зависимостей с оценкой точности проведенных измерении и рассчитанных по ним значений КПД.

5.Графики полученных экспериментальных зависимостей в удобном масштабе.

6.Графики расчетных значений зависимости КПД от напряжений на аноде и управляющем электроде.

7.Расчетные значения крутизны электрической перестройки и добротности внешней колебательной системы.

8.Заключение, содержащее объяснение полученных зависимостей.

7.6.Контрольные вопросы

1.В чем заключается характерная особенность процессов энергообмена

вскрещенных полях?

2.Каковы конструктивные особенности митрона?

3.Каковы особенности рабочих характеристик митрона?

4.Почему у митрона большой мощности коэффициент перестройки меньше, чем у маломощных митронов?

5.Чем объясняется линейность частотной характеристики митрона?

8.ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ ПРИБОРОВ О-ТИПА

Цель работы: ознакомление с конструкцией магнитных систем, обеспечивающих фокусировку электронного пучка в приборах О-типа. Экспериментальное исследование магнитных систем и их компьютерное моделирование.

69

8.1.Основные теоретические положения

8.1.1.Типы магнитных систем

Вприборах О-типа для преобразования энергии источника питания в энергию СВЧ-поля используются электронные пучки, протяженность которых значительно превосходит их поперечные размеры. Для фокусировки (транспортировки) таких пучков в каналах электродинамических систем используются магнитные поля, создаваемые соленоидами или постоянными магнитами [8]. Системы с постоянными магнитами являются более предпочтительными, так как не требуют дополнительного источника питания.

По характеру осевого распределения магнитных полей магнитные системы делятся на три основных типа: системы с однородным полем, системы с реверсивным полем и магнитные периодические системы. Применение реверсивных и периодических полей обеспечивает значительный выигрыш в весе и габаритах магнитных систем.

8.1.2.Магнитная система с однородным полем

Поперечное движение электронов в зоне однородного магнитного поля определяется действием двух сил: силы кулоновского взаимодействия Fρ и

магнитной фокусирующей силы Fμ . Первая направлена от оси симметрии

системы и оказывает на пучок расфокусирующее действие, вторая, направленная к оси системы, должна противодействовать действие первой. Теоретический анализ дает следующие выражения для указанных сил, действующих на граничные электроны пучка:

Уравнение движения граничных электронов пучка в этом случае имеет следующий вид:

70