Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 74
Текст из файла (страница 74)
Получаемая волной от электронного потока энергия должна быть больше энергии потерь(затухание в 3С, потери согласования и т. д.), т. е. ее величинадолжна быть достаточной для поддержания процесса формирования электронных сгустков. Расчет генератора на ЛОВО показывает, что в режиме самовозбуждения ток электронного пучкадолженпревышатьнекоторуювеличину,называемуюпусковым током. Величина пускового тока должна быть разной длявозбуждения колебаний различных порядков, так как с увеличением п требуются большие величины И 0 , т. е. большие затраты подводимой от источника постоянного тока энергии примало изменяемой величине полезной (а в действительности приуменьшении), передаваемой от потока волне.
Таким образом,КПД генератора уменьшается при возрастании п.Для возбуждения колебаний при п =1величина пусковоготока должна быть в несколько раз больше, чем при п =О. Обычно в генераторах на лова реализуются режимы для п =о. Дляпредотвращения самовозбуждения колебаний высших порядков длина 3С выбирается равнойl = N/...3 •-QS}------11 Контрольные1.допросы~-/-------Каковы классификация и области применения пролетных иотражательных клистронов?2.Устройство, характеристика элементов и принципы работыдвухрезонаторных клистронов (ДРК). Объемные резонаторыи их параметры.3.Пространственно-временные диаграммы, конвекционные инаведенныетокивдвухрезонаторныхпролетных:клистронах.4.Параметры и характеристики ДРК.5.Особенности и принципы работы отражательных :клистронов. Зоны генерации.
Электронная настройка частоты.Глава6.14.Электронные приборы СВЧ с динамическим управлением395Устройство ЛБВО. Характеристики и выполняемые функции элементов ЛБВО. Устройство, параметры и характеристики замедляющих систем.7.8.Параметры и характеристики ЛБВО.ЛОВО: устройство, принципы взаимодействия электронов собратной волной, параметры и характеристики.Глава14ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЧС ДИНАМИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМИ СКРЕЩЕННЫМИ ПОЛЯМИ - ПРИБОРЫ ТИПАМ14.1.
ОбщиесведенияОсновные различия между механизмами взаимодействия вприборах типа О и М заключаются в следующем.1.В приборах типа О передача энергии от луча к волне осуществляется только тогда, когда скорость электронов больше фазовой скорости возмущенной волны. В приборах типаМ передача энергии осуществляется при равенстве среднейскорости электронов и скорости волны.2.В приборах типа О процесс передачи энергии от электронного потока СВЧ-волне продолжается до тех пор, пока электроны не замедлятся полем волны до скорости, равной фазовойскорости волны. Поскольку начальное превышение скоростиэлектронов над скоростью волны обычно мало, то волне передается лишь небольшая часть кинетической энергии пучка,и КПД, как правило, невелик. В приборах типа М в энергиюволныпереходитпотенциальнаявзаимодействия осуществляетсяэнергия,причемпроцесспри неизменной среднейскорости электронов. В энергию СВЧ-поля переходит вся потенциальная энергия электрона за исключением небольшойчасти,необходимойдлясозданиясинхроннойскорости.С ростом анодного напряжения относительная доля энергии,необходимая для создания синхронной скорости, уменьшается, и КПД растет, достигая80 ...
90%.Раздел3963.3.ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫВ приборах типа Мв отличие от приборов типа О переменнаякомпонента объемного заряда р практически не играет ролив процессе преобразования энергии. В приборах типа О влияние объемного заряда может быть весьма значительно, чтосильно снижает эффективность преобразования энергии.14.2. Магнетроны.Движениеэлектронов в скрещенных поляхВ магнетронах процесс преобразования потенциальной энергии электронов происходит в скрещенных электрических и магнитных полях.Магнетроны используются в качестве узкополосных генераторов.
Эти приборы могут работать в диапазоне от метровых домиллиметровых длин волн и генерировать СВЧ-энергию до100 кВтв непрерывном и до десятков и даже сотен мегаватт вимпульсном режиме.Основными достоинствами этих приборов являются следующие: высокие значения КПД (до70%и более), сравнительно невысокий уровень питающих напряжений, достаточно большиемощности_ как в непрерывном,так и в импульсном режимах,высокая эффективность на весьма коротких длинах волн (миллиметровый диапазон длин волн), небольшие габариты и масса.В настоящее время используются преимущественно многорезонаторные магнетроны. Устройство многорезонаторного магнетрона представлено на рис.14.1.Магнетрон состоит из катода1,эмитирующего электроны;анодного блока 2, который объединяет функции электрода, собирающего отработанные электроны, и ко-3лебательной системы, состоящей из замкнутой цепочки резонаторов4системы4,3;магнитнойкоторая условно отмечена кружочком с точкой (вектор индукции магнитного поля направлен из плоскости чертежа на наблюдателя); устройства выводаэнергии (магнитной петлИ:)системаныхвыполняетсямагнитовилина5.Магнитнаяосновепостоянмагнитныхкатушек(электромагнитов).5Рис.14.1Анодныйблоквыполняетсяввидемедного или латунного диска с прорезя-Глава14.Электронные приборы СВЧ с динамическим управлением397ми для формирования резонаторов.
Из-за больших размеров итрудности изоляции анод обычно заземляется, а на катод подается большой отрицательный потенциал через специальныйэлемент конструкции, позволяющий изолировать катод. Конструкция магнетрона, как правило, аксиально симметрична.Движение электронов в пространстве взаимодействия магнетрона происходит в высокочастотных скрещенных постоянных электрических и магнитных полях по сложным траекториям. Структура и свойства СВЧ-полей в пространстве взаимодействия также весьма сложны, поэтому, прежде чем рассматриватьпринцип действия магнетрона, рассмотрим по отдельности движениеэлектронов вскрещенных постоянныхэлектрическомимагнитном полях при отсутствии СВЧ-полей, а потом свойстваколебательной системы, т.
е. структуру СВЧ-полей в пространстве взаимодейст5ия. Если не учитывать переменные поля, то магнетрон можно рассматривать как вакуумный диод, помещенныйв магнитное поле.Хотя магнетрон выполнен в виде цилиндрической конструкции (рис.14.2,а), движение электронов для простоты будем рассматривать для плоской конфигурации (модели) (рис.14.2,б).Такое приближение достаточно корректно для магнетронов, у которых радиусы катода и анода не сильно отличаются.Сделаем следующие допущения: существует постоянное элект=рическое поле напряженностью{30составляющую,по оси у,направленнуюное поле, направленное вдоль осиРу' имеющее единственнуюи постоянное магнитz (В 0 = Bz, см. рис.
14.2, б); отсутствует влияние пространственного (объемного) заряда эле кт-укк-.;'//,хРу= РоУоХоZo1Воzа)Рис.14.26)А~Раздел3983.ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫронов; начальные скорости электронов приняты равными нулю:·vxoVyo=vzo==О; релятивистские поправки не учитываются.В этих условиях необходимо определить (вычислить) траекториюэлектронов. 3апише:м уравнение движения электрического заряда в присутствии электрического и магнитного полей, т. е.под действием силы Лоренца:(14.1)где т, е-соответственно масса и абсолютная величина зарядаэлектрона,v-вектор его скорости.Раскладывая векторычтоdxdyv0,f; 0 , Ё0 и [v х В 0 ] по ортам и учитывая,dzuvx = dt ; vy = dt ; Vz = dt , получаем в декартовои системе коор-динат три скалярных уравнения движения электрона, решениекоторых с соответствующими начальными условиями, сформулированными выше,ния электрона (при хпозволяет вычислить траекторию движе(t=О)= х 0 ; у (у =О)= у 0 =О иz = (t =О)= z 0 ).vxo =При нахождении электрона в точке 1(рис.14.2), когда=О, Уо =О (х 0 , у 0 , =О,z 0 - начальные координаты поz) и при сделанных ранее допущениях о направлениях полей б и В, решение уравнения (14.1) имеет вид:= Vyo = vzoосям х, у,Бох=х 0 +уB-tоmGo .еВ 2 s1nroцt,оmG= - -eBfi0 ( 1 - cos (J)ц t) 'z=z 0 ,где rоц=(14.2)(14.3)(14.4)m0еВ -циклотронная частота.Соотношения(14.2), (14.3), (14.4)описывают траекториидвижения электронов.
Эти траектории являются кривыми, леz = z 0 = const. Начальная координата х0только сдвигает траекторию вдоль оси z. Уравнения (14.2) ижащими в плоскости(14.3)описывают кривую, которая называется циклоидой. Каноническая форма уравнений, описывающих циклоиду, имеет видх =R(<p - sin<р);(14.5)у=R(l - cos<р).(14.6)Глава14.Электронные приборы СВЧ с динамическим управлением399кхzАРис.Циклоида14.3это кривая, которую описывает точка, располо-женная на ободе круга (например, на рис.14.3точка а) при качении последнего без скольжения по плоскости (на рис.координат х 0окружности14.3 начало= у 0 = О перенесено на катод). В нашем случае радиусR=mSoеВ 2 ; <ро=roцtремещения центра круга vцк-угол поворота круга. Скорость пе-= {50 /В 0 • Циклотронная частота rоц определяет угловую скорость качения круга и, следовательно, угловую скорость движения электрона по циклоидальной орбите.Таким образом, электроны, вылетая с катода, будут двигатьсяв пространстве взаимодействия между катодом и анодом по циклоидальной кривой.
Изменяя напряженность{30 электрическогои индукцию В 0 магнитного полей, можно изменить радиус циклоиды и, следовательно, параметры траектории движения. ПриR=2d(d -расстояние между катодом и анодом, см. рис.14.3)электроны будут касаться поверхности анода в вершине циклоиды; приdR> 2электроны попадают на анод, и магнетрон в этомслучае ведет себя как обыкновенный вакуумный анод.Магнитное поле, при котором прекращается анодный ток,называется критическим. Индукцию критического поля Вкрможно определить из условияR=d/2.Используем полученное ранее выражение для радиуса окружностиR=т{50В 2 и учтем, что полееоможно считать однородным.
ТогдаS между анодом и{30 =.Иоd,где Иа-катодомпотенциаланода, и уравнение для нахождения Вкр имеет видmUaedB~Pd=2'(14.7)Раздел4003.ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫоткуда следуети.вкрm\\Vо1~=d л./еиа.Аналогичноможнополучитьследующее выражение:вРис. 14.4Этовыражениеназываемуюрежима, которая изображена на рис.14.4,описывает такпараболукрнтнческоrогде также представлены траектории электронов для различных значений Иа и В.
Левее параболы располагаются траектории электронов для значений И а ц В, соответствующцх диодному режиму, а правее находятся траектории для Иа и В, соответствующих магнетроннымрежимам. Конструкция магнетронов является цилиндрическойи рассмотренное приближение для плоского случая может оказаться достаточно грубым, тогда используют цилиндрическиекоординаты. В цилиндрических координатах циклоида превращается в кривую, называемую эпициклоидой.14.3.Колебательная система магнетронаАнодный блок магнетрона как колебательная СВЧ-системапредставляет собойNсвязщ1ных резонаторов, свернутых (замкнутых) в кольцо. В такой колебательной системе может возникнутьNвидов колебаний.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
