2. Рабочий режим магнетрона. Основные характеристики и параметры магнетрона. Области применения.

Магнетроном называется генераторный прибор М-типа, в котором анод и катод являются коаксиальными цилиндрами, магнитное поле аксиально, а замедляющая система является резонансной.

Работа многорезонаторного магнетрона основана на длительном взаимодействии электронов с электрическим полем резонаторов. Электроны, эмитируемые катодом магнетрона, подвергаются действию скрещенных постоянных электрического и магнитного полей и переменного СВЧ поля системы резонаторов.

В случае отсутствия СВЧ поля электроны, двигаясь ускоренно под действием анодного напряжения, пересекают силовые линии магнитного поля. При этом их траектория искривляется, и в зависимости от соотношения электрического и магнитного полей могут иметь различный вид, как показано на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1

Траектория 1 соответствует случаю, когда индукция магнитного поля В =0. При увеличении магнитного поля трактории электронов искривляются (кривые 2-4), и, начиная с некоторого значения индукции магнитного поля, называемого критическим, электроны не попадают на анод, а возвращаются к катоду. При этом анодный ток магнетрона резко падает.

Как показывает расчет, траектории электронов в магнетроне по форме близки к эпициклоде, кривой, которую описывает точка окружности, катящейся без скольжения по поверхности катода. Так как электроны эмитируются катодом непрерывно, то в пространстве взаимодействия образуется электронное облако, вращающееся вокруг катода в котором электроны перемещаются эпициклоидально, имея некоторую переносную скорость.

Рабочие характеристики магнетрона представляют собой совокупность кривых постоянных значений мощности, вольт-амперной и КПД прибора, построенных в координатах анодное напряжение Uа и анодный ток Iа для фиксированных значений индукции магнитного поля В при заданном Кст нагрузки. Рабочие характеристики магнетрона показаны на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2

К числу рабочих характеристик относятся: вольт-амперные характеристики 1, кривые постоянного КПД 2 и кривые постоянной мощности 3. Из рабочих характеристик видно, что при малых анодных напряжениях анодный ток в магнетроне отсутствует, т.е. почти все электроны, вылетевшие из катода, возвращаются обратно на катод. При некоторой величине анодного напряжения, когда выполняется условие синхронизма, в магнетроне возбуждаются интенсивные колебания. В этой области при незначительной увеличении анодного напряжения резко возрастает анодный ток. При увеличении напряженности магнитного поля интенсивные колебания в магнетроне возбуждаются при более высоком анодном напряжении.

При очень малых и очень больших величинах анодного тока магнетрона наблюдается неустойчивость в его работе. В областях малых токов происходят скачкообразные изменения (перескоки) частоты рабочего вида колебаний на частоты других видов колебаний, токи возбуждения которых меньше токов возбуждения рабочего вида колебаний. В области больших токов возникают искрения внутри магнетрона (пробои), приводящие к разрушению активной поверхности катода, а также могут наблюдаться срывы (пропуски импульсов) СВЧ колебаний. Коэффициент полезного действия возрастает с увеличением напряженности магнитного поля. Это объясняется тем, что улучшаются условия взаимодействия электронов с СВЧ полем.

Нагрузочные характеристики представляют собой совокупность кривых постоянных значений мощности и частоты, построенных на круговой диаграмме для фиксированных значений анодного тока и напряженности магнитного поля. Нагрузочные характеристики представлены на рисунке 2.3. В заштрихованных областях магнетрон работает неустойчиво.

Рисунок 2.3

Применение магнетронов. Магнетроны отличаются простой конструкцией, высоким КПД и большой генерируемой мощностью. Особенно широкое применение магнетроны находят в радиолокации, как генераторы мощных (до десятков МВт) прямоугольных СВЧ импульсов, а также в промышленности, медицине и быту, как генераторы неприрывных сигналов мощностью от десятков Вт до десятков кВт.