9.6. Магнетрон

Магнетрон является двухэлектродной лампой, в которой электроны движутся под действием электрического и перпендикулярного к нему магнитного полей. Анод магнетрона изготавливается в виде цилиндрической полости. На ее оси расположен катод (рис. 9.10а). В отсутствие магнитного поля электроны перемещаются от катода к аноду по радиусам. Магнитное поле, приложенное вдоль оси цилиндрического катода (перпендикулярно к плоскости чертежа на рис. 9.106), искривляет траектории электронов. При некотором критическом значении магнитного поля электроны пролетают по касательной к аноду, а при анодный ток становится равным нулю, так как электроны, закручиваясь, не достигают анода.

Рис. 10. Структура и принцип действия магнетрона: схемати-ческое изображение двух электродной электровакуумной лампы в магнитном поле (а); траектория электронов при различных магнитных полях (б); разрез многорезонаторного магнетрона (в)

Для того чтобы магнетрон стал генератором колебаний СВЧ, в теле анода делают симметрично расположенные отверстия и прорези, как это показано на рис. 9.10в, в результате чего анод превращается в несколько идентичных, связанных между собой резонаторов СВЧ. Возбуждение колебаний в одном из резонаторов приводит к возникновению колебаний в остальных. Создаваемое резонаторами высокочастотное электрическое поле взаимодействует с потоком электронов в пространстве анод - катод. Если в результате этого взаимодействия кинетическая энергия электронов (которую они приобрели в электрическом поле анод — катод) в среднем уменьшается, то происходит передача энергии электронного потока высокочастотному полю. Иными словами, если при определенных значениях магнитного поля и напряжения на аноде круговой поток электронов тормозится, то происходит генерация. Вывод энергии генерируемых колебаний производят при помощи петли, пронизываемой магнитными силовыми линиями одного из резонаторов. Толчком для первоначального возникновения колебаний может явиться скачок тока при включении питания.

9.7. Твердотельные генераторы свч

Уже упоминалось, что генератор на туннельном диоде способен генерировать колебания с частотой до 100 ГГц. Несколько более высокие уровни мощности можно получить на диодах Ганна: 50 - 200 и более милливатт в непрерывном режиме в диапазоне до 10 ГГц.

В 1963 г. Дж. Ганн обнаружил, что при некоторых условиях ток, проходящий через полупроводники (арсенид галлия и фосфид индия) с электронной проводимостью, испытывает периодические колебания. Колебания возникают тогда, когда приложенное к бруску полупроводникового материала напряжение U создает в нем электрическое поле, превышающее величину :

, (9.20)

где l - длина бруска. Частота f_O колебаний тока при этом связана простой зависимостью со скоростью дрейфа электронов от катода к аноду:

. (9.21)

В арсениде галлия см/с, поэтому при l ~ 100 - 10 мкм f_O составляет 1 -10 ГГц.

Экспериментально Дж, Ганн установил, что генерация обусловлена объемным эффектом. При у катода возникает область сильного электрического поля - домен, который со скоростью движется к аноду и исчезает на нем. Вслед за этим зарождается новый домен и процесс повторяется. Колебания тока возбуждаются из-за того, что в момент возникновения домена ток уменьшается, а при исчезновении - увеличивается.

Эффект Ганна связан с наличием у некоторых полупроводников «двойной» зоны проводимости. В частности, у арсенида галлия подзоны проводимости разделены промежутком (рис. 9.11а). В каждой из них электрон имеет различные значения эффективной массы и подвижности :

, см²/В*с;

, см²/В*с.

Рис. 9.11. К эффекту Ганна в кристалле арсенида галлия

В слабых полях практически все электроны находятся в нижней подзоне (долине), в сильных - переходят в верхнюю долину (становятся «более тяжелыми»). С ростом поля E=U/l при E=E_КР достигается максимальное значение плотности тока через полупроводник. Дальнейшее увеличение Е ведет к увеличению доли электронов в верхней долине или к их «утяжелению» и уменьшению вследствие этого плотности тока (рис. 9.116). Обусловленный этими процессами ниспадающий участок вольт-амперной характеристики (диапазон напряженностей ) является областью неустойчивого значения тока, или областью генерации.

Промышленность изготавливает диоды Ганна, которые могут быть установлены в волноводной или коаксиальной линии. В паспорте диода указывается значение напряжения на нем, при котором плотность тока соответствует участку ( ) характеристики. Частота возникающих электрических колебаний подвержена значительным флуктуациям. Если волноводная или коаксиальная секция с диодом Ганна соединена с высокодобротной резонансной системой, то при рациональном выборе связи между ними удается получить генерацию с высокой стабильностью частоты.