Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие для СПО
.pdf
21
где
CLf
2
1
0
n
n
N
N
n
1
2
,,2,1,0
N
n
N
N
n ,,1
2
N
1
2
N
0n
2
N
n
. (2.8)
Выражения (2.6) и (2.7) показывают, что каждому номеру n вида колебаний
соответствует не только свой фазовый сдвиг
, но и своя собственная частота си-
стемы, поскольку при одинаковых параметрах резонаторов соответствующий ново-
му номеру n фазовый сдвиг
общем случае в системе из
ственных частот (видов колебаний), но в строго симметричной системе, когда
четное, фазовые сдвиги
видов колебаний с
ностью до знака с фазовыми сдвигами для
четном
число возможных видов колебаний сокращается до
При нулевом или синфазном виде колебаний (
можно обеспечить лишь на другой частоте f. В
связанных резонаторов имеется N различных соб-
–
совпадают с точ-
. Таким образом, при
.
) фазы колебаний во всех
резонаторах совпадают, в то время как при наиболее распространенном противо-
фазном, или так называемом π-виде колебаний (
), колебания в соседних резо-
наторах находятся в противофазе.
На рисунке 2.6 показано распределение длин волн различных видов колебаний в симметричной колебательной системе магнетрона с восьмью резонаторами.
22
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 резонаторами путем установки связок-проводников, соединяющих сегменты резонаторов с
23
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 %)
24
увеличить разность частот колебаний вида π (
2
N
n
1
2
N
n
см3
см3
xm
E
r
E
E
e
v
E
r
E
) и соседнего с ним вида коле-
баний
.
Для магнетронов, работающих в коротковолновой части сантиметрового диа-
пазона (
), 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
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 характеристики магнетрона без ухудшения устойчивости работы.
В пространстве взаимодействия СВЧ электрическое поле с амплитудой
можно разложить на две составляющие: радиальную
и тангенциальную
лению средней скорости электронов
ставляющая поля
, направленную вдоль поверхности анода параллельно направ-
. Для колебаний π-типа тангенциальная со-
имеет максимальное значение в середине зазора и минималь-
ное – в середине сегмента. В то же время радиальная составляющая
, направленную по радиусу,
принимает
максимальное значение в середине сегмента и минимальное – в середине зазора (рисунок 2.8).
25
ф
v
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
вдоль замедляющей системы, то есть
26
фe
vv
, (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.
27
N
E
2
N
n
ф
v
E
e
v
0
e
v
Рисунок 2.9 – Образование областей пространственного заряда в форме «спиц»
Число «спиц» зависит от числа резонаторов
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
, соответствующих тормозящей фазе поля, то есть
. Элек-
трическое поле пространственной гармоники, с которой осуществляется взаимодей-
ствие электронного потока, распространяется вдоль поверхности анодного блока с
фазовой скоростью
. 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
противоположно направлению средней скорости электронов
, то эти
электроны ускоряются, приобретая дополнительную кинетическую энергию, и по-
падают вновь на катод со средней скоростью
, создавая обратную бомбарди-
ровку (рисунок 2.10).
28
E
e
v
a
E
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
и
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 тормозящего характера СВЧ поля компенсируется соответствующим поглощением энергии
от источника анодного напряжения
. Следовательно, кинетическая энергия
участвует в процессе взаимодействия электрона с СВЧ полем, но служит лишь посредником, 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.
29
Для обеспечения многократного взаимодействия электрона с СВЧ полем, а,
кр
B
апa
EE
акрaап
EEЕ
a
E
B
a
E
акр
E
акрa
EE
ап
E
a
E
)(BfEап
следовательно, высоких КПД и мощности магнетрона, необходимо, чтобы магнит-
ное поле было значительно сильнее, чем критическое значение
.
Между линией Хартри и параболой критического режима (рисунок 2.2) находится зона генерации СВЧ колебаний магнетроном. При выполнении условия
(2.10)
анодный ток равен нулю, так как все электроны, эмитированные катодом, возвра-
щаются на него. Если
, (2.11)
выполняется условие синхронизма, анодный ток при увеличении
и неизменной
индукции магнитного поля
быстро нарастает, что ведет к возбуждению СВЧ ко-
лебаний в магнетроне. В случае
~
(2.12)
падает КПД магнетрона, и при
(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
и при воз-
растании
возможен даже переход к другому виду колебаний, а не только их
срыв. Для каждого вида колебаний пороговая прямая
общую точку касания с параболой критического режима с координатами
имеет только одну
30
2
22
.
2 ne
rm
Е
na
са
nrre
rm
B
кa
na
с
22
2
2
ac
E
c
B
a
E
1
2
N
n
, (2.14)
. (2.15)
Постоянное напряжение
ции) и соответствующее значение индукции
(называемое иногда напряжением синхрониза-
– 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
было больше порогового для противо-
фазного вида колебаний, но меньше напряжения для ближайшего к нему паразитного вида колебания с номером
. (2.16)
2.3 Вопросы для самопроверки ко второму разделу
2.3.1 Какие ЭП СВЧ, кроме классических магнетронов, относятся к приборам
типа М?
2.3.2 Какие 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?
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]