Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 75
Текст из файла (страница 75)
В колебательной системе изNрезонаторов для возникновения колебаний необходим полный фазовый сдвиг СВЧ-колебаний при обходе всей развертки анода свозвращением.в исходную точку, равныйФ= 2пп,где п =О,(14.8)1, 2, 3, ... , N/2.Целое число п определяет количество длин волн, укладывающихся вдоль развертки анодного блока. В противном случае, т. е. при п нецелом, возникает интерференция волн и самовозбуждения магнетрона не происходит.Разность фаз СВЧ-колебаний в соседних резонаторах (фазовый сдвиг) определяется очевидным соотношением:q>=2nn/N.(14.9)Глава14.Электронные приборы СВЧ с динамическим управлениемN=8+1е [!] ~~@J~[О]401~lzJп=4\//11<P=7t\1+3х+5а)б)Рис.На рис.полей для14.5, а=8иN14.5представлена структура электрических СВЧп= 4 (<р = 7t).Таким образом, различные виды колебаний в магнетронеможно характеризовать либо числом п, которое определяет номер вида колебаний, либо фазовым сдвигом <р.Одним из наиболее эффективных видов колебаний является7t-вид, для которого <р =7t.Из формулыния вида л: реализуются при п- =числе резонаторов(14.9) видно,N2 .
Эточто колебавозможно при четномN.Распределение напряженности переменного электрического7t при N = 8поля вдоль анода для <р =дано на рис.14.5, б.Электрическое поле в основном сосредоточено вблизи щелей резонаторов. Если построить огибающую распределенияS=f(x), то получим четыре периода, т.
е. четыре длины волны укладываетсявдоль анодного блока в рассматриваемых условиях.Как видно из рис.14.5,б, распределение поля в пространствевзаимодействия носит периодический, но не гармонический характер, хотя изменение напряженности поля во времени в каждойточкеский)пространствахарактер.Такоеноситсинусоидальный(гармоничепространственное распределение приразложении в ряд Фурье содержит бесконечную последовательность пространственных гармоник.- Какследует из изложенного в п.13.3,фазовая скорость любой пространственной гармоники vФ = ro/kзp' kзр-ло пространственной гармоники номерар =О,±1, ±2, ...
;волновое чисkзр= k30 + kзр'; р' = ±1, ±2, ... ; k 30 = 27t/A30 ; А30 легко определяется=из402Раздел З. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫрис.14.5,= 2тср'/D,б: Л- 30анодного блока); kзр'гдее. расстояние между се= 2тсrа/п (ra - радиусD- цериод структуры, т.рединами зазоров двух соседних резонаторов:vф(n,p)ro=kзр=пropN-+ra=пD==2тcra/N. Тогдаrora+ pN •(14.10)raТаким образом, замкнута.я колебательна.я система магнетрона в отличие от разомкнутой системы в ЛБВО обладает бесконечной последовательностью пространственных гармоник длякаждого п-го номера вида колебаний.Если рассматривать частотный спектр колебаний анодногоблока, то оказываете.я, что соседние виды колебаний очень незначительно различаются по частоте. При работе магнетрона врезультате различных флуктуаций в источнике питания можетнаблюдаться «Перескок» в режиме работы магнетрона с одноговида колебаний на другой, сопровождаемый скачкообразнымизменением частоты генерации колебаний. Существует два основных метода разделения колебаний: использование связок,применение разнорезонаторных анодных блоков.
Связки-этопроводники, соединяющие точки анодного блока, находящиесяпод одним и тем же СВЧ-потенциалом. Для колебаний вида тесвязки имеют электрический контакт на сегментах анодногоблока, расположенных через один резонатор. Разнорезонаторныеанодные блоки выполн.яютс.я, как правило, из двух групп резонаторов с различными размерами, причем эти резонаторы чередуются друг с другом.Механизм возникновения незатухающих колебаний в магнетроне сходен с подобными .явлениями в клистроне и другихэлектровакуумных генераторных приборах СВЧ с динамическим управлением.
Колебания в магнетроне возникают из-зафлуктуаций плотности электронного потока. Колебания поддерживаются за счет энергии источника электрического питания. В магнетроне, как и в других ЭВП СВЧ, происходит модуляция по плотности и энергетическое взаимодействие сформировавшихся сгустков с электрическим полем.Рассмотримфизическиймеханизмвзаимодействиятронного потока, перемещающегося в скрещенныхэлек{j х В-полях,с СВЧ-полем. Электрическое СВЧ-поле в пространстве взаимо-Глава14.Электронные приборы СВЧ с динамическим управлениемРис.40314.6действия имеет две составляющие: продольнуюверхности катода или анода) и поперечнуюS_uS1(вдоль понаправленнуюперпендикулярно к поверхности электродов.Рассмотрим процессы взаимодействия с каждой составляющей. Начнем с продольнойS•11На рис.14.6показана разверткамагнетрона, там же представлена структура СВЧ-поля в некоторый момент времениt = t0•Все пространство взаимодействияразбито на две группы участков а и б, на каждом из которых полеS11имеет свое направление.
Сначала рассмотрим движениеэлектронов, вылетающих с участков а катода. Если бы СВЧ-поле отсутствовало, то электроны, вылетев с катода, описали быциклоиду и с той же энергией, с которой вылетели, вернулисьбы на катод. Наличие же переменной составляющей электрического поля приводит к тому, что электроны на протяжении всего участка а будут перемещаться в тормозящем СВЧ-поле.
В результате они потеряют часть энергии и при обратном движениик катоду не смогут достигнуть его и остановятся в точке Б. Длянаглядности предположим,что время движения электрона отточки А до остановки в точке Б равно Т /2. (Т-период СВЧ-ко~лебаний).
Следующий цикл электрон начинает свое движениеиз точки Б в условиях, аналогичных моменту вылета электронаиз катода (точка А), и остановится через полпериода в точке В ит. д. Через Т /2 направления полейS11на участках а и б изменяются на противоположные. Аналогичная картина будет наблюдаться на всех участках а пространства взаимодействия. Электроны, вылетающие с катода б, будут ускоряться СВЧ-полем, получатьдополнительнуюэнергиюибудутвозвращатьсянакатод. В результате весь электронный поток разобьется на рядсгустков (спиц). Каждая спица образуется на одном пространст-404Раздел3.ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫвенном периоде СВЧ -волны, поэтому число спиц в пространствевзаимодействия магнетрона будет определяться номером видаколебаний.
Таким образом, продольная составляющая электрического СВЧ -поляS11разбивает весь электронный поток на рядспиц и формирует составляющую скорости электронов, направленную к аноду.Время перемещения электрона от точки А до точки Б не обязательно равно Т /2. Оно может быть (и чаще всего бывает) меньше Т/2, но это не изменяет общей картины взаимодействияэлектронов с СВЧ-полем. Итак, траекторию движения электрона можно приближенно уподобить траектории точки окружности, катящейся по прямой, уход-11щей от катода к аноду. Скорость качения этой окружности определяется отношением vцк ==S0 / В 0 •Число петель в траектории электрона и крутизна прямой, по которой катится окружность, зависят от анодного потенциала и интенсивности высокочастотного поля.
Подчеркнемещераз,чтонаанод,описываяциклоидальныетраектории,устремляются лишь электроны, вылетевшие с участков катода,против которого в данный момент времени существует тормозящее поле.При взаимодействии с радиальной составляющей поля происходит уплотнение электронов в спице. Механизм этого уплотнения легко можно уяснить из рис.14. 7.Рассмотрим три электрона, находящихся внутри спицы.
Для1 суммарное радиальное СВЧ-поле S = S0 + S{, дляэлектрона 2 S0 , а для электрона 3 - 6'0 - Sl (см. рис. 14. 7).электронаПереносная скорость электрона=vц= S0 /B 0и электрона3 v3 =1 v1 =бо -б~Вбо,+ б~Во,т. е.v 1 > v 2 > v3 •оэлектроназультате такого соотношения скоростей электроны1и3приближаться к электрону2 v2 =В ребудут2,темсамым уплотняя спицу, т.
е. происходитболееплотнаягруппировка электронов. Каждая спицанаходитсявсинхронизмесволной, бегущей вдоль анодного блока,Рис.14. 7т. е.спицы внутри пространства взаимодействия вращаются.Глава14. Электронныеприборы СВЧ с динамическим управлением14.4. Характеристики405и параметры магнетронов"Условием для отдачи электронами максимальной энергиивысокочастотному полю является равенство фазовой скоростибегущей волны и средней скорости движения электронов в отсутствие колебаний: vФ(n,p) = vцк• т. е. в магнетроне реализуетсяусловие синхронизма. Средняя скорость движения электроновнеизменна для определенного режима работы магнетрона. Следовательно, и средняя кинетическая энергия электронов остается постоянной. Потенциальная же энергия электронов изменяется по мере подъема электронов к аноду.
Она максимальнана катоде и равна еИа, т. е. определяется полной разностью потенциалов между катодом и анодом, и минимальна (равна нулю) на аноде.Пользуясь условием синхронизма, можно приближенно определитьэлектрическиеимагнитныеполя,соответствующиерабочим режимам магнетрона:(14.11)гдеro -~частота генерируемых колебании; rcpra+ rк= - -2-радиус(ra,соответственно радиусы анода и катода);расстояd=ra -rк-rк-окружности в середине пространства взаимодействияние между катодом и анодом. "Условие синхронизма меняетсяпри переходе от одной точки к другой в направлении анода.
Рассмотрим это условие для некоторой средней линии между катодом и анодом. Для пространства ближе к аноду от этой среднейлинии рассматриваемое условие будет выполняться с избытком, ближе к катоду с недостатком:ro(ravф(п,р) = vцк• т. е.п++ rк)pN(14.12)Отсюдаro(r~ + r~)B 0Иа= 2(n+pN) ·(14.13)Из этого выражения видно, что для каждого вида колебанийсуществуют оптимальные соотношения между И а и В 0 , при этом7t-вид колебаний требует для своего возбуждения наименьшегоРаздел4063.ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРНБОРЫанодного напряжения.
Одним из признаков возбуждения колебаний является протекание конвекционного тока в анодной цепи магнетрона. Постоянное.анодное напряжение иа, при которомвозникают СВЧ-колебания, принято называ'fЬ пороговым напряжением магнетрона. Анализ показывает, что простое напряжениеи п может быть определено по формуле(14.14)В соответствии с последней формулой построим графики(рис.14.8).На этом рисунке изображена парабола критическогорежима и прямые линии, касательные к параболе. Каждая прямаялиния определяет пороговое напряжение как функцию магнитно-'го поля для каждого вида колебаний п (рассматривается восьмирезонаторный анодный блок, т. е.N = 8).Значения анодных напряжений для различных п в точках касаниw прямых называются потенциалами синхронизации исп· При иа =исп (псм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
