5.4. Лампа обратной волны типа м (ловм)

В лампах обратной волны типа М, которые могут быть генера­торными или усилительными устройствами, взаимодействие элек­тронного потока происходит с обратной пространственной гармо­никой. Схема устройства цилиндрической генераторной ЛОВМ по­казана на рис. 5.12.

Электроны, эмитируемые катодом 1, под действием поля управ­ляющего электрода 2 и магнитного поля двигаются примерно по циклоидальной кривой 3 и входят в пространство взаимодействия, образованное верхним электродом 5 (анодом) замедляющей систе­мы и нижним электродом 6 (холодным катодом). При выполнении таких же условий, как в ЛБВМ, электрон при отсутствии СВЧ по­ля двигается по окружности (или по прямой линии при плоских электродах) и попадает на коллектор 9. При выполнении условия синхронизма (5.19), т. е. при равенстве переносной скорости элек­тронов и фазовой скорости обратной пространственной гармоники и токе пучка, большем пускового, в ЛОВМ возникают колебания. У коллектор­ного конца лампы расположен пог­лотитель 7, который поглощает энергию, отраженную от выходного устройства 4, если согласование в нем недостаточно хорошее. Отсутст­вие поглотителя создает дополни­тельную паразитную обратную связь, которая ухудшает равномер­ность частотной характеристики, так же как в ЛОВО (см. § 4.7). Если вместо поглотителя сделать вывод энергии 8 и установить ток меньше пускового, то ЛОВМ будет работать в усилительном ре­жиме.

Как и в ЛОВО, частота генерируемых колебаний ЛОВМ зави­сит от ускоряющего напряжения (электронная перестройка часто­ты). Однако эта зависимость в ЛОВМ более линейна. Еще одно важное преимущество ЛОВМ перед ЛОВО меньший диапазон изменения ускоряющего напряжения u₀ при том же диапазоне электронной 'перестройки частоты. Это объясняется тем, что в ЛОВМ скорость поступательного движения электронов и пропор­циональна и₀, а не Кu₀, как в ЛОВО.

Генераторные ЛОВМ используются обычно в непрерывном ре­жиме (работы. Конструкция этих ламп преимущественно цилиндри­ческая с замедляющей системой типа «встречные штыри» (3 на рис. 4.3). Генераторы перекрывают диапазон частот 0,16—18 ГГц с выходными мощностями от 5 кВт до единиц ватт. Диапазон электронной перестройки достигает 30—40%, а КПД — 35—40%. Охлаждение обычно жидкостное.

В настоящее время ЛОВМ являются самыми мощными генера­торами СВЧ с электронной перестройкой частоты. Синхронизиро­ванные генераторы на основе ЛОВМ обладают высокой стабиль­ностью частоты и относительно низким уровнем шумов и пер­спективны для использования в системах связи с частотной моду­ляцией.

5.5. Многорезонаторный магнетрон

Принцип работы. Многорезонаторный магнетрон — это генера­торный прибор типа М, устройство которого показано на рис. 5.13. Цилиндрический катод 1 эмитирует электроны со всей поверхности и создает замкнутый электронный поток. В магнетроне использу­ется также замкнутая замедляющая система, образованная цепочкой

Рис. 5.13 Рис. 5.14

объемных резонаторов 2. Резонаторы выполнены в корпусе анодного блока 3 и через щели 4 связаны с кольцевым зазором 5 между блоком и катодом. Этот зазор является пространством взаимодействия электронов с СВЧ полем. Энергия генерируемых колебаний СВЧ выводится из колебательной системы с помощью витка связи 6 и коаксиального вывода или волновода. Вакуумная камера магнетрона помещена между полюсами электромагнита или постоянного магнита так, чтобы направление магнитного по­ля совпадало с осью катода.

Соседние резонаторы связаны через пространство взаимодейст­вия (емкостная связь), образуя замкнутую цепочку полосовых фильтров. Поэтому в такой системе могут возбуждаться только те колебания, для которых сумма сдвигов фазы в звеньях при обхо­де всей колебательной системы кратна значению 2π, т. е. сдвиг фазы фо на одно звено или между колебаниями в соседних резо­наторах может принимать лишь следующие дискретные значения:

ф₀ = 2πп/N (5.21)

где N — число резонаторов (звеньев), а п — целое число (номер вида колебания).

Сдвиг фазы ф₀ в полосе прозрачности системы не может пре­вышать 180°, поэтому номер вида в (5.21) принимает только зна­чения :

п = 0,1,2, . . . ,(N/2—1), N/2. (5.22)

Колебание при п—0 (ф_о=0) называют синфазным, а при п =>N/2 (ф₀=π) — противофазным или колебанием π-вида. Соот­ношение (5.21) называют условием цикличности или замкнутости СВЧ поля магнетрона.

Каждому виду колебаний соответствуют своя собственная ча­стота системы, а следовательно, и частота генерируемых колеба­ний. Действительно, переход к другому номеру π в (5.21) означает изменение ф₀, а при тех же параметрах резонаторов новый сдвиг фазы можно обеспечить только на другой частоте.

Очевидно, что каждый вид колебаний имеет определенную картину СВЧ поля в пространстве взаимодействия. Силовые ли­нии электрического поля и изменение азимутальной составляющей напряженности E_Q для π-вида колебания в развернутой модели четырехрезонаторного магнетрона (N=4) показаны на рис. 5.14. Зависимость поля от азимута несинусоидальная, поэтому, как и в других замедляющих системах с периодическими неоднородностями, следует рассматривать пространственные гармоники.

Обычно рабочим является π-вид колебаний, так как ему соот­ветствуют наименьшее анодное напряжение и наибольший элек­тронный КПД. Однако частота колебаний π–вида близка к часто­те соседнего по номеру вида колебаний. При одинаковых резона­торах увеличение разности частот достигается применением свя­зок, т. е. проволочных или ленточных проводников, расположен­ных над торцами анодного блока и присоединенных в определен­ной последовательности к сегментам (через один сегмент). На рис. 5.13 были показаны две кольцевые связки 7 с четырьмя точ­ками присоединения к анодному блоку. Эти связки при колеба­ниях π-вида соединяют точки с одинаковым потенциалом и не Из­меняют распределения потенциала. Для других видов колебаний указанные точки имеют различный потенциал, поэтому по связкам потекут уравнительные токи, влияние которых эквивалентно под­ключению индуктивностей параллельно каждой паре резонаторов. Последнее означает повышение частот нерабочих видов колеба­ний, т. е. их удаление от частоты π-вида. В магнетронах для этой цели вместо связок можно использовать чередование резонаторов разных размеров (разнорезонаторные магнетроны).

В статическом режиме, когда в пространстве взаимодействия нет СВЧ поля, электроны, вылетевшие из катода с нулевой ско­ростью, совершают циклоидальное движение (см. рис. 5.2а). При .этом в зависимости от выбора анодного напряжения U_а и индук­ции магнитного поля В электроны могут либо вернуться на катод, либо попасть на анод. Режим, при котором электроны начинают попадать на анод, называют критическим. В магнетроне выбирают такой режим, при котором до начала генерации электроны возвра­щаются на поверхность катода, т. е. f_а=0. При этом около като­да образуется «вращающееся» электронное кольцо, в котором электроны перемещаются по циклоидам, имея некоторую перенос­ную скорость v_п, определяемую (5.9).

Для объяснения процесса самовозбуждения необходимо пред­положить, что в пространстве взаимодействия имеется слабое СВЧ поле, вызванное, например, флуктуациями электронного по­тока. При изменении анодного напряжения переносная скорость v_п может стать равной фазовой скорости v_фm одной из простран­ственных гармоник СВЧ ноля, т. е. выполнится условие синхро­низма (5.19) v_п=v_фm. Электроны, двигающиеся в благоприятной фазе, будут группироваться и подниматься вверх к аноду, отдавая свою потенциальную энергию СВЧ полю. Рост поля будет усили­вать взаимодействие электронов с полем и т. д. в

Рис. 5.15 Рис. 5.16

форму «спиц» колеса, вращающихся вокруг катода с постоянной угловой переносной скоростью. Число спиц, очевидно, равно числу тормозящих областей СВЧ поля, где происходит группирование, т. е. равно номеру вида колебаний.

Движение отдельных электронов спицы в подвижной системе координат, связанной с бегущей волной пространственной гармо­ники, показано на рис. 5.16. Электроны 1 и 5 начали движение в пространстве взаимодействия возникают пульсации границы пространственного заряда электронов, которые в стационарном режиме достигают анода (рис. 5.15). Динамический пространственный заряд имеет неблагоприятной фазе (в ускоряющем поле), а 2, 3, 4 — в благо­приятной фазе (в тормозящем поле). В спице существует динами­ческое равновесие: в нее непрерывно входят электроны из прика- тодной области и выходят электроны на анод.

Напряжение U_а, при котором начинается генерация колеба­ний, называется пороговым, при этом появляется анодный ток магнетрона.

Параметры. Остановимся на способе оценки электронного КПД магнетрона, применимом и для других приборов типа М.

При прохождении электроном разности потенциалов между анодом и катодом изменение потенциальной энергии

W_ПОТ = еU_а. (5.23)

Однако не вся эта энергия переходит в энергию СВЧ поля: часть энергии преобразуется в кинетическую энергию электронов и рас­сеивается в виде тепла при их соударении с анодом. Поэтому СВЧ полю передается энергия

Wсвч = W_пот-W_расс, (5.24)

где W_расс — мощность, рассеиваемая на аноде.

Максимальная скорость электронов при движении по циклоиде определяется (5.12) и равна удвоенному значению переносной скорости V_a. Для оценки ИТрасс примем, что скорость электронов около анода равна переносной скорости. Тогда

W_расс = mv_u²/2 (5.25)

а электронный КПД с учетом (5.24) и (5.25)

. (5.26)

По (5.9) и_а=Е₀/В. Поэтому при увеличении u_а, вызывающем рост напряженности поля Е₀, происходит увеличение скорости v_П. Чтобы вернуть v_п к прежнему значению, удовлетворяющему усло­вию синхронизма (5.19), необходимо увеличить индукцию поля В. При неизменной v_п в (5.26) увеличение u_а будет приводить к ро­сту электронного КПД. Кроме того, чем меньше фазовая скорость в условии синхронизма, тем меньше требуемое значение скорости уп и выше при том же значении электронный КПД. В магне­троне наименьшее значение фазовой скорости соответствует ко­лебаниям π-вида, поэтому они характеризуются максимальным

значением электронного КПД.

Различные по значению магнетроны перекрывают диапазон частот 300 МГц — 300 ГГц. Выходная мощность магнетронов непре­рывного действия составляет от долей ватта до нескольких десят­ков киловатт, а импульсного действия — от 10 Вт до 10 МВт. Электронный КПД магнетронов, как и других приборов типа М, высок и может превышать 70%. В мощных магнетронах применя­ют механическую перестройку до 10—15% введением стержней в резонатор (индуктивная настройка) или перемещением колец у торцов резонаторов (емкостная настройка). Электронная перестройка невелика и используется только в маломощных магнетро­нах.

Магнетроны используются в мощных передающих устройствах, например в передатчиках радиолокационных станций, а также в ускорителях заряженных частиц и установках для высокочастот­ного нагрева.