Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие
.pdf
где
f0 |
|
|
1 |
|
. |
(2.8) |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
||||
2 |
|
L C |
|||||
|
|
|
|
|
|
||
Выражения (2.6) и (2.7) показывают, что каждому номеру n вида колебаний соответствует не только свой фазовый сдвиг n , но и своя собственная частота си-
стемы, поскольку при одинаковых параметрах резонаторов соответствующий ново-
му номеру n фазовый сдвиг n можно обеспечить лишь на другой частоте f . В
общем случае в системе из N связанных резонаторов имеется N различных соб-
ственных частот (видов колебаний), но в строго симметричной системе, когда N –
|
|
N |
|
|
четное, фазовые сдвиги n |
видов колебаний с |
n 0,1,2, , |
|
1 совпадают с точ- |
|
||||
|
|
|
2 |
|
|
N |
|
|
|
|
ностью до знака с фазовыми сдвигами для |
n |
|
1 , , N . |
Таким образом, при |
|
|
|||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
четном N число возможных видов колебаний сокращается до |
|
1 . |
|||
|
|||||
|
|
|
|
2 |
|
При нулевом или синфазном виде колебаний ( n 0 ) фазы колебаний во всех резонаторах совпадают, в то время как при наиболее распространенном противо-
фазном, или так называемом π-виде колебаний ( n N2 ), колебания в соседних резо-
наторах находятся в противофазе.
На рисунке 2.6 показано распределение длин волн различных видов коле-
баний в симметричной колебательной системе магнетрона с восьмью резонаторами.
21
Рисунок 2.6 – Распределение длин волн различных видов колебаний
Как видно из рисунка (кривая 1), частотное разделение видов колебаний друг от друга ухудшается с увеличением номера. Это может привести к неустойчивой ра-
боте магнетрона и снижению его основных энергетических показателей: выходной мощности и КПД. Частотное разделение уменьшается до нескольких единиц про-
центов с увеличением числа резонаторов, поэтому без принятия специальных мер их количество в магнетроне обычно не превышает восьми.
Следует отметить, что характер распределения резонансных частот может и отличаться от приведенного на рисунке 2.6, так как зависит от преобладания индук-
тивной или емкостной связи между резонаторами. Однако проблема частотного раз-
деления видов колебаний остается, так как частота противофазного вида колебания,
наиболее эффективного, обеспечивающего при наименьшем анодном напряжении максимальные электронный КПД и мощность, отстоит от ближайшей частоты дру-
гого вида колебаний, как правило, на величину всего от 2 % до 3 %. При этом даже небольшие изменения анодного напряжения или сопротивления нагрузки могут привести к скачкообразному изменению частоты (длины волны) СВЧ колебаний.
Повышение устойчивости режима магнетрона, удаление собственных частот колебательной системы друг от друга достигается увеличением связи между резона-
торами путем установки связок-проводников, соединяющих сегменты резонаторов с
22
одинаковым потенциалом, или с помощью разнорезонаторной системы (рисунок
2.7).
Рисунок 2.7 – Разнорезонаторная система
Связки вносят в колебательную систему магнетрона дополнительные реактив-
ности. Значения вносимых емкостей и индуктивностей зависят не только от разме-
ров связок и их расположения относительно анодного блока, но и от структуры СВЧ поля. Например, при противофазном виде колебаний связки вносят существенную емкость в резонаторную систему, а внесение индуктивной реакции исключено ввиду малости уравнительных токов, протекающих вдоль связок. В результате вносимой в резонаторы дополнительной емкости частота генерируемых магнетроном колебаний типа π понижается. При возбуждении же в колебательной системе колебаний других типов появляется разность потенциалов между сегментами, соединенными связка-
ми. Это приводит к уменьшению вносимой связками в резонаторы емкости и увели-
чению вносимой индуктивности из-за возрастания уравнительных токов вдоль свя-
зок. Вносимая индуктивность параллельна собственной индуктивности резонаторов,
что приводит к уменьшению результирующей индуктивности и повышению часто-
ты колебаний других типов, отличных от вида π.
Эффективность применения связок отражена на графике (кривая 2 на рисунке
2.6), показывающем изменение длины волны СВЧ колебаний от значения n . Из графика видно, что применение связок позволяет существенно (от 10 % до 15 %)
23
увеличить разность частот колебаний вида π ( n |
N |
) и соседнего с ним вида коле- |
|||
2 |
|||||
|
|
|
|
||
N |
|
|
|
||
баний n |
|
1 . |
|
|
|
|
|
|
|||
2 |
|
|
|
||
Для магнетронов, работающих в коротковолновой части сантиметрового диа-
пазона ( 3см ), характерно возрастание числа резонаторов до 18, а в миллиметро-
вом диапазоне – даже до 48 при одновременном уменьшении их размеров. Это со-
провождается возрастанием высокочастотных потерь и понижением эффективности связок. Поэтому при 3см для разделения видов колебаний используют разноре-
зонаторную колебательную систему (рисунок 2.7).
В разнорезонаторном анодном блоке смежные резонаторы изготавливают раз-
ными по размерам, так что половина резонаторов оказываются настроенными на бо-
лее короткую волну, а остальные – на более длинную по сравнению с резонаторами обычного блока. При этом все возможные типы колебаний распадаются на две группы. В длинноволновой группе фазы колебаний в больших и малых резонаторах одинаковы, а в коротковолновой распределение частот практически такое же, как и в резонаторной системе со связками, то есть характеризуется большим частотным разносом. Использование разнорезонаторной колебательной системы позволяет уве-
личить размеры анодного блока, а, следовательно, и повысить энергетические ха-
рактеристики магнетрона без ухудшения устойчивости работы.
В пространстве взаимодействия СВЧ электрическое поле с амплитудой Exm
можно разложить на две составляющие: радиальную Er , направленную по радиусу,
и тангенциальную E , направленную вдоль поверхности анода параллельно направ-
лению средней скорости электронов ve . Для колебаний π-типа тангенциальная со-
ставляющая поля E имеет максимальное значение в середине зазора и минималь-
ное – в середине сегмента. В то же время радиальная составляющая Er принимает максимальное значение в середине сегмента и минимальное – в середине зазора (ри-
сунок 2.8).
24
Рисунок 2.8 –Электрическое поле в пространстве взаимодействия
При отсутствии высокочастотных колебаний в магнетроне устанавливается режим, соответствующий отсутствию анодного тока (закритический режим). При этом электронный поток образует кольцо (втулку) пространственного заряда, вра-
щающегося вокруг катода.
Механизм возникновения незатухающих СВЧ колебаний в магнетроне, как и в других типах автогенераторов, связан с выполнением условий самовозбуждения и наличием флуктуации электронного потока, возбуждающих резонансную систему
[21]. При этом всякое первоначальное колебание, возникающее в резонаторной си-
стеме магнетрона, будет нарастать до тех пор, пока не начнут появляться нелиней-
ные эффекты взаимодействия электронного потока с неоднородным электрическим полем вблизи щелей резонаторов.
Для эффективной передачи энергии вращающимся электронным потоком СВЧ полю резонаторной системы магнетрона необходимо, чтобы электроны дли-
тельное время двигались в тормозящем электрическом поле. Это условие достигает-
ся, если средняя скорость электрона совпадает по модулю и направлению с фазовой скоростью волны vф вдоль замедляющей системы, то есть
25
ve vф , |
(2.9) |
а сам электронный поток сгруппирован в сгустки, время прохождения которых вблизи зазоров резонаторов соответствует тормозящей фазе СВЧ электрического поля одной из пространственных гармоник. При этом передача энергии электронами при взаимодействии с остальными пространственными гармониками практически отсутствует, так как последние испытывают одинаковое число импульсов ускорения и торможения в пространстве взаимодействия.
Под воздействием радиальной составляющей СВЧ поля происходит модуля-
ция электронного потока по скорости и плотности. За счет изменения направления радиальной составляющей электрического поля в середине сегмента изменяется ре-
зультирующее значение напряженности электрического поля E , действующего на электроны. Как видно из рисунка 2.8, отстающие электроны, попавшие в сильное результирующее электрическое поле E , увеличивают свою скорость и движутся по циклоиде с меньшим радиусом, а опережающие оказываются под влиянием мень-
ших значений E , их скорость уменьшается, а радиус циклоиды увеличивается. Это приводит к образованию вокруг электронов, находящихся под центром зазоров в пучности тангенциальной составляющей электрического поля, областей с повышен-
ной плотностью пространственного заряда в форме «спиц» (рисунок 2.9). Электро-
ны в этих областях испытывают максимальное торможение со стороны тангенци-
альной составляющей СВЧ электрического поля.
26
Рисунок 2.9 – Образование областей пространственного заряда в форме «спиц»
Число «спиц» зависит от числа резонаторов N и вида колебаний. Для проти-
вофазного типа колебаний число резонаторов всегда четное, а число электронных
«спиц», формирующихся в пространстве взаимодействия, равно числу максимумов амплитуды поля E , соответствующих тормозящей фазе поля, то есть n N2 . Элек-
трическое поле пространственной гармоники, с которой осуществляется взаимодей-
ствие электронного потока, распространяется вдоль поверхности анодного блока с фазовой скоростью vф . Поскольку «спицы» жестко связаны с фазой тангенциальной составляющей электрического поля, то и они вращаются с такой же скоростью.
Если в момент вылета какой-то части электронов в данной области простран-
ства взаимодействия направление тангенциальной составляющей электрического поля E противоположно направлению средней скорости электронов ve , то эти электроны ускоряются, приобретая дополнительную кинетическую энергию, и по-
падают вновь на катод со средней скоростью ve 0 , создавая обратную бомбарди-
ровку (рисунок 2.10).
27
Рисунок 2.10 – Обратная бомбардировка катода электронами
Действующий в магнетроне механизм фазовой фокусировки обеспечивает группирование электронов в «спицы» в пределах областей пространства взаимодей-
ствия, где направления E и ve совпадают. Электроны в этих областях тормозятся под действием тангенциальной составляющей, передавая часть энергии СВЧ полю.
Электроны, оказавшиеся в тормозящем поле, теряют часть кинетической энер-
гии и поэтому не могут вернуться обратно на катод, а начинают следующий цикл на некотором расстоянии от него (рисунок 2.10). В результате электрон будет двигать-
ся по укороченным с одного конца циклоидам, постоянно поднимаясь вверх по направлению к аноду. Движение электрона в сторону анода сопряжено с получени-
ем им энергии от источника анодного напряжения, пропорциональной пройденной разности потенциалов. Таким образом, потеря кинетической энергии из-за тормозя-
щего характера СВЧ поля компенсируется соответствующим поглощением энергии от источника анодного напряжения Ea . Следовательно, кинетическая энергия участвует в процессе взаимодействия электрона с СВЧ полем, но служит лишь по-
средником, так как ее значение периодически восстанавливается. Отметим, что при движении электронов по укороченным эпициклоидам внутри движущихся элек-
тронных «спиц» их средняя скорость остается неизменной, а значит, не нарушаются их условия синхронизации с СВЧ полем. Энергия СВЧ поля поддерживается в маг-
нетроне за счет потенциальной энергии электронов, а не кинетической, как в кли-
стронах или приборах О-типа.
28
Для обеспечения многократного взаимодействия электрона с СВЧ полем, а,
следовательно, высоких КПД и мощности магнетрона, необходимо, чтобы магнит-
ное поле было значительно сильнее, чем критическое значение Bкр .
Между линией Хартри и параболой критического режима (рисунок 2.2) нахо-
дится зона генерации СВЧ колебаний магнетроном. При выполнении условия
Ea Eап |
(2.10) |
анодный ток равен нулю, так как все электроны, эмитированные катодом, возвра-
щаются на него. Если
Еап Ea Eакр , |
(2.11) |
выполняется условие синхронизма, анодный ток при увеличении Ea |
и неизменной |
индукции магнитного поля B быстро нарастает, что ведет к возбуждению СВЧ ко- |
|
лебаний в магнетроне. В случае |
|
Ea ~ Eакр |
(2.12) |
падает КПД магнетрона, и при |
|
Ea Eакр |
(2.13) |
последний переходит в докритический режим, что приводит к срыву СВЧ колебаний противофазного вида. Выражение (2.6) показывает, что противофазному виду коле-
баний соответствует наименьшее значение порогового напряжения Eап и при воз-
растании Ea возможен даже переход к другому виду колебаний, а не только их срыв. Для каждого вида колебаний пороговая прямая Eап f (B) имеет только одну общую точку касания с параболой критического режима с координатами
29
|
|
|
|
m r 2 |
2 |
|
|
|
|
Е |
а.с |
|
|
a |
n |
, |
|
||
2 e n2 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
2 m r 2 |
n |
|
||||
B |
|
|
|
a |
|
|
. |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
с |
|
e r 2 |
r 2 |
n |
|||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
a |
к |
|
|
|
|
(2.14)
(2.15)
Постоянное напряжение Eac (называемое иногда напряжением синхрониза-
ции) и соответствующее значение индукции Bc – это минимально возможные зна-
чения параметров, при которых выполняются условия самовозбуждения магнетрона.
Таким образом, согласно рисунку 2.6 для возбуждения в магнетроне устойчивых СВЧ колебаний противофазного вида при фиксированном значении индукции B
необходимо, чтобы анодное напряжение Ea было больше порогового для противо-
фазного вида колебаний, но меньше напряжения для ближайшего к нему паразитно-
го вида колебания с номером
N |
|
|
|
n |
|
1 . |
(2.16) |
|
|||
|
2 |
|
|
2.3 Вопросы для самопроверки ко второму разделу
2.3.1Какие ЭП СВЧ, кроме классических магнетронов, относятся к приборам
типа М?
2.3.2Какие значения индукции магнитного поля и анодного напряжения маг-
нетрона называются критическими?
2.3.3 При каких условиях электрон, вылетая из катода магнетрона, возвраща-
ется на него вновь и все множество электронов образует вращающийся простран-
ственный заряд?
30