Лекция 12. Магнетроны

Электроника СВЧ. Лекция 12МагнетроныМногорезонаторные магнетроны следует отнести к наиболее применяемымСВЧ генераторным приборам. Это автогенераторы, которые работают нафиксированной частоте или с перестройкой в относительно узком диапазонечастот дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн как в режименепрерывной генерации, так и в импульсном режиме. Достигнутые насегодняшний день уровень выходной мощности в импульсном режимесоставляет единицы мегаватт в дециметровом диапазоне, сотни киловатт – всантиметровом диапазоне и десятки киловатт – в миллиметровом. КПДмагнетронов дециметрового диапазона достигает 75–85%, а длинноволновойчасти миллиметрового диапазона – 15–25%.С электрической точки зрения магнетрон – это диод, имеющий обычнотермокатод и массивный анод кольцевой формы, в теле которого размещенысвязанные между собой и с пространством между анодом и катодом(пространством взаимодействия) объемные резонаторы (Рис.1.

Вамб.8.1).Схема устройства и включения магнетрона1 – анодный блок, 2 – катод, 3 – резонатор типа щель – отверстие,4 – пространство взаимодействия, 5 – вывод энергииКатод с цилиндрической эмитирующей поверхностью расположенкоаксиально внутри анода. Постоянное электрическое поле между анодом икатодом имеет радиальное направление. Прибор помещают в постоянноемагнитное поле с индукцией , которое направлено вдоль оси магнетрона,т.е.

ортогонально постоянному электрическому полю. Таким образом,магнетрон относится к приборам М-типа, работающим в скрещенныхпостоянных электрических и магнитных полях.В первой части курса нами были рассмотрены вопросы движения электроновв скрещенных постоянных электрических и магнитных полях, а также волны,существующие в замкнутой в кольцо замедляющей системе. В этой лекциибудут рассматриваться вопросы работы магнетрона более подробно.1. Статический режим работы магнетронаРассматривая движение электрона в плоском магнетроне нами былоустановлено, что его траектория представляет собой циклоиду,характеризуемую радиусомобразующей окружностиц==, скоростью перемещения центраи циклотронной частотой, котораясоответствует угловой скорости качения круга, изображенного на рис.,ц=.Циклоидальное движение электрона в скрещенных поляхЗная частоту ц , можно найти полное время пролета электрона до вершиныциклоидальной орбиты и обратно к катоду22==цЭлектронные траектории, которые при = 0 нормальны к поверхностикатода и анода, после наложения магнитного поля начинают искривляться.Если увеличивать индукцию магнитного поля, то радиус катящегося кругабудет постепенно уменьшаться.

При = 2 электроны лишь касаются анодав вершине циклоиды. Наконец при > 2 электроны, не доходя до анода,совершают многократные колебания по циклоиде, а конвекционный ток наанод становится равным 0.Таким образом, критическое магнитное поле, при котором в статическомрежиме прекращается анодный ток плоского диода, равнокр=1 2Очевидно, если задана индукция , то можно говорить о критическомзначении анодного напряжения кр , при котором наступает критическийрежим работы. В этом случаекр=2Кривую, построенную по этому выражению, называют «критическойпараболой». В заштрихованной области, расположенной выше параболы,магнетрон проводит постоянный ток.Парабола критического режима магнетронаПри движении электронов в цилиндрическом магнетроне критический режимописывается уравнениемкр=811−!= 6,75 ∙ 10'()1−!2.

Свойства колебательной системы многорезонаторного магнетрона1. Виды колебаний в многорезонаторном магнетронеЧастота генерируемых колебаний в основном определяется резонанснойчастотой колебательной системы. Поэтому для анализа электронных явленийгенерирующего магнетрона необходимо знать структуру СВЧ поля впространстве взаимодействия между катодом и анодом, в котором проходитэлектронный поток, т.е. наибольший интерес представляет электрическоеполе, провисающее из резонаторов в пространство взаимодействия.Обе указанные задачи – нахождение резонансных частот и определениеструктуры ВЧ-поля в пространстве взаимодействия можно рассматриватьнезависимо от свойств электронного потока.Рассматривая замедляющие системы, состоящие из * резонаторов и-свернутые в кольцо, мы выяснили, что в них могут возбуждаться + = , + 1/видов колебаний, для которых разность фаз колебаний может приниматьдискретные значения, определяемые соотношением0=12--, где + = 0,1,2, … , – вид колебанияКаждому виду колебаний соответствует определенная картина СВЧ поля впространстве взаимодействия.

Силовые линии электрического поля иизменение азимутальной составляющей напряженности 45 π-вида вчетырехрезонаторном магнетроне представлены на рис.Силовые линии электрического поля и изменение азимутальнойсоставляющей напряженности 45 π-видаПоскольку зависимость поля от азимута носит несинусоидальныйпериодический характер, то, как и в замедляющих системах спериодическими неоднородностями, необходимо учитыватьпространственные гармоники.

Для гармоники с номером 6 вида колебаний +сдвиг фазы на периоде замедляющей системы равен02,7 = 08 + 2 6, где 6 = 0, ±1, ±2, …Угловая скорость волны пространственной гармоники р номера вида попределяется формулойгде @ =1-:2,7 =5;<,==><2?7-,– геометрический угол между соседними резонаторами;2B= 2,8 + 6A2 = < + 6A2 – время движения гармоники 6 вида колебаний+ между соседними резонаторами;2,7A2 – период высокочастотного поля для вида +;2=1B<– частота колебаний. Для всех пространственных гармоник данноговида колебаний + частота одинакова, ее находят в соответствии сэквивалентной схемой пространства взаимодействияЭквивалентная схема участка пространства взаимодействияC, D – ёмкость и индуктивность резонатора, C E – ёмкость между сегментом икатодомпо формуле:2где8=L√NOрезонаторе.=8CEF1 +2C(1 − HIJ0)– частота резонатора, 0 =12-,– набег фазы колебаний на>Q/Для π-вида колебаний угловая скорость, равная :-/ ,7 =, имеет-( 7?L)наибольшее значение для пространственных гармоник 6 = 0 и 6 = −1,которые направлены в противоположные стороны.2.

Спектр колебанийНиже на рисунке показаны результаты расчета резонансных длин волн8-резонаторного магнетрона при различной величине отношенияORO, изкоторого видно, что резонансная длина волны π-вида S1 лишь незначительноотличается от длины волны ближайшего вида, для которого + =-− 1.Обычно разность частот указанных видов колебаний называют разделениемчастот и указывают в процентах по отношению к резонансной частотеπ-вида.[S- − S- ]'L∆S∆==S∆ 1 ∆S1Спектры видов колебаний 8-резонаторного магнетронаЧем больше разделение частот, тем более стабильной может быть работамагнетрона. В рассмотренном случае при * = 8 разделение частотоказывается небольшим и составляет около 1%.3.

Разделение видов колебаний в многорезонаторном магнетроне.Для устойчивой работы магнетронного генератора желательно иметь-разделение резонансных частот π-вида и ближайшего к нему вида , − 1/порядка 10-20%, т.е. значительно больше, чем в равнорезонаторной аноднойсистеме. Существует два метода увеличения разделения частот видовколебаний в магнетроне:1) применение связок в равнорезонаторном анодном блоке;2) использование разнорезонаторного анодного блока.Связки представляют собой проволочные или ленточные кольца,соединяющие между собой, как показано на рис., только четные илинечетные сегменты анода. Благодаря соединению сегментов через одинсвязки обеспечивают противофазные колебания, соответствующие π-виду, исильно возмущают другие виды колебаний, для которых разность фазотличается от π.Одинарные и двойные кольцевые связки, применяемые в анодных блокахмагнетрона для разделения частотРассмотрим влияние связок на спектр видов колебаний.

Если в магнетроневозбуждены колебания π-вида, то каждая связка соединяет точки содинаковым потенциалом, не изменяя структуру поля. В результате по нимне текут токи. Однако между связкой и анодным блоком имеется ёмкость,которая понижает резонансную частоту π-вида колебаний по сравнению сослучаем отсутствия связок.Предположим теперь, что возбуждаются другие виды колебаний,+ < /.Тогда точки присоединения связок уже не имеют одинаковогопотенциала, в результате чего по связкам потекут уравнительные токи,влияние которых эквивалентно подключению индуктивности параллельнодвум резонаторам.

Это повышает частоты нерабочих видов колебаний.Спектры видов колебаний 8-резонаторного магнетронаНа рис. показана зависимость частоты видов колебаний от номера + 8-мирезонаторного магнетрона со связками и без них. В результате применениясвязок частота π-вида колебаний понизилась, а частоты других видовповысились, т.е. увеличился разнос частот.Наряду с улучшением разделения частот видов колебаний, связки несколькоухудшают собственную добротность многорезонаторного блока, чтоприводит к увеличению потерь на волнах короче 3 см. Кроме тогосуществуют конструктивные трудности использования связок в магнетронах2-см диапазона и особенно в миллиметровом диапазоне длин волн.