Лекция 12. Магнетроны (1095411), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В этомучастке СВЧ диапазона для разделения частот в магнетронах находятприменение разнорезонаторные анодные блоки.Устройство разнорезонаторного анодного блока заключается в наличиирезонаторов разных размеров, расположенных через один, образуя двегруппы – группу длинноволновых и группу коротковолновых резонаторов.Примеры устройства разнорезонаторных анодных блоков1 – длинноволновые резонаторы;2 – коротковолновые резонаторыРезонансные частоты видов колебаний разнорезонаторной системыраспадаются на две группы, соответствующие коротковолновым идлинноволновым резонаторам.
При этом резонанс π-вида лежит между двумягруппами и оказывается достаточно хорошо разделенным по частоте поотношению к соседним видам колебаний. Отношение резонансных частот«малых» и «больших» резонаторов обычно выбирают в пределах 1,8 – 2,0.3.Динамический режим работы магнетрона1. Переменный пространственный заряд в магнетроне. Спицы.Проанализируем качественно электронные процессы вмногорезонаторном магнетроне в режиме установившихся колебаний. Еслигенерация на одном из видов колебаний анодного блока уже возникла, тохарактер движения можно определить, учитывая совместное действие трехполей: постоянного электрического, постоянного магнитного ивысокочастотного электрического.Предположим, что электроны, вылетающие из катода, движутсянезависимо, т.е.
действие пространственного заряда не проявляются. Тогдаво взаимно перпендикулярных электрическом и магнитных полях любойэлектрон совершает циклоидальное движение и возвращается на катод. Т.к.электроны вылетают со всей поверхности катода, то образуется электронноеоблако, в котором все электроны перемещаются по циклоидальнымтраекториям вокруг катода, как показано на рис. а, с некоторой переноснойскоростью, определяемой формулой4=При этом в случае если индукция магнитного поляравен 0.>кр ,то анодный токПространственный заряд в пространстве взаимодействия 4-х резонаторногомагнетронаРассмотрим изменение в этом движении при наличии незначительноговысокочастотного поля, вызванного флуктуациями электронного потока,которое можно представить суммой пространственных гармоник.
Наиболеезначительное взаимодействие электрона с полем может быть при условии,что электрон длительное время находится в одной и той же фазе поотношению к высокочастотному электрическому полю, т.е. при выполненииусловия равенства фазовой скорости одной из волн, распространяющейся всистеме ( ф )пр , и скорости переносного движения электронов( ф )пр =При выполнении этого условия синхронизма радиальная составляющаявысокочастотного электрического поля 4Z начинает вызывать группированиеэлектронов в тормозящих областях поля, в то время как азимутальнаясоставляющая 45 начнет смещать эти электроны к аноду, заставляяэлектроны, находящиеся в благоприятной фазе, передавать своюпотенциальную энергию высокочастотному полю.
Электроны, начавшиедвижение в ускоряющих областях поля, т.е. электроны в неблагоприятнойфазе, двигаются к катоду, не успевая отобрать у высокочастотного полямного энергии, и попадают на катод. Поэтому в магнетроне преобладаетпередача энергии от электронов полю, что приводит к росту амплитуды поля,а последнее – к усилению воздействия поля на электроны. В результате впространстве взаимодействия возникают пульсации границы облакапространственного заряда (рис. б), которые в установившемся режимедостигают анода (рис. в), а динамический пространственный заряд имеетформу спиц, вращающихся вокруг катода с постоянной угловой скоростью.Число спиц равно числу тормозящих областей СВЧ-поля впространстве взаимодействия, т.е.
номеру вида колебаний. У колебанияπ-вида число спиц максимально и равно половине числа резонаторов. Еслисинхронизировать электронное облако с одной из пространственныхгармоник, для которой 6 ≠ 0, то количество спиц должно в принциперавняться (+ + 6*).Движение типичных электронов в 8-резонаторном магнетроне всистеме координат, двигающейся в синхронизме с волной, при отсутствии (а)и при наличии (б, в) высокочастотных колебаний2.
Условия самовозбуждения магнетронаУсловие отдачи максимальной энергии электронами высокочастотномуполю является совпадение фазовой скорости бегущей волны и среднейскорости движения электронов в отсутствии колебаний. Будем использоватьэто условие для среднего радиуса пространства взаимодействия, т.к. фазоваяскорость волны на этом радиусе будет средней для пространствавзаимодействия.)2( +( ф )пр = :пр ср =2(+ + 6*)Поскольку скорость движения электронов в отсутствиивысокочастотного поля равноТак как 4 =пор ,]^Z^ 'Z_= , то условие синхронизма можно записать4=2(+ )2(+ + 6*), то определим величину порогового анодного напряженияпри котором выполняется условие синхронизма:пор =(2a−2b)2(+ + 6*)ВСогласно этому уравнению анодное напряжение, при котором должнопроисходить возбуждение многорезонаторного магнетрона, для каждого видаколебаний при фиксированном номере гармоники линейно связано синдукцией магнитного поля.
Поэтому графики этой зависимости называютсяпороговыми прямыми.На рис. построены соответствующие графики для видов колебаний8-резонаторного магнетрона и приведена критическая парабола.Прямые проходят через начало координат, а их наклон зависит от номеравида колебаний + и номера пространственной гармоники 6, который нарисунке принят равным нулю.Пороговые прямые пересекают параболу критического режима. Но призначениях , соответствующих точкам заштрихованной области, генерацииколебаний не должно быть, так как электроны в этом случае очень быстроуходят на анод, не успевая эффективно взаимодействовать с СВЧ-полем.Для выбранного значения = E при<кр (ниже параболы) в точках напороговых прямых, начинается возбуждение колебаний, так как в«закритическом» режиме из-за циклоидального движения возможнодлительное взаимодействие с СВЧ-полем.Наименьшие пороговые напряжения соответствуют колебаниям π-вида,+ = /, что является важным преимуществом этого вида колебаний.Уравнение пороговой прямой является приближенным, т.к.
при его выводепредполагалось, что кинетическая энергия электрона при попадании на анодравна нулю. Но и в общем случае зависимость пороговых значенийнапряжения от по-прежнему линейна, однако пороговые прямые уже непроходят через начало координат и не пересекают параболу критическогорежима, а только касаются ее. Минимальное значение пороговогонапряжения для каждой пороговой прямой соответствует точке касания.
Этопороговое напряжение называют напряжением синхронизации.Диаграмма рабочих режимов магнетронаЗависимости, изображенные на рис., называют диаграммой рабочихрежимов. В действительности в магнетроне существует генерация колебанийпри изменении анодного напряжения в некоторой области значений до10-20% пор для данного вида колебаний.На реальной рабочей диаграмме для каждого вида колебаний вместоодной пороговой прямой имеется область, в пределах которой возможносамовозбуждение колебаний.Обычно рабочим видом колебаний является π-вид с нулевойпространственной гармоникой (6 = 0).
Ниже рабочей пороговой прямой-располагаются пороговые прямые низших видов колебаний ,+ < / сненулевыми номерами пространственных гармоник (например, 6 = ±1).Поэтому при изменении напряжения от нуля до рабочего значения для π-видаколебаний имеется опасность самовозбуждения на ненулевыхпространственных гармониках низших видов колебаний, частота которыхотличается от частоты рабочего вида колебания.В результате в импульсных магнетронах существует опасность возбужденияпаразитных видов колебаний на переднем фронте импульса.
При оченьпологом фронте импульса, т. е. при малой скорости нарастания напряжения,могут успеть установиться колебания этих видов. Для того чтобынизковольтные колебания не возбуждались совсем или не успели нарасти дозаметной амплитуды, необходимо начальную часть фронта 1 импульсасделать крутой, а в части 2 фронта, которая соответствует напряжениювозбуждения вида колебаний, наклон необходимо уменьшить, чтобыуспели установиться колебания этого вида.
Идеализированный импульснапряжения такой формы и показан на рис. В связи с этим к форме импульсапредъявляются серьезные требования, для каждого типа.4. Параметры и характеристики многорезонаторного магнетрона1. Электронный КПДЭлектронный КПД магнетрона определяют как отношение энергииэлектрона, переданной СВЧ полю, к потенциальной энергии электрона,находящегося на поверхности катода и обладающего нулевой скоростью, поотношению к аноду. Поскольку часть энергии электрона преобразуется вкинетическую энергию и рассеивается в виде тепла при соударении с анодом,которая равнаdкин =2,где – скорость электрона у поверхности анода, то электронный КПДмагнетрона можно определить по формулеg =d2 − dd=1−d2d2Рассмотрим наихудший случай, когда электрон попадает на анод смаксимальной скоростью, которую можно считать равной скоростиэлектрона в верхней точке циклоиды.
Тогда44=2макс = 2 2 = 2( )где 2 – скорость переносного движения; 4 – напряженность статическогополя в пространстве взаимодействия; – индукция; – зазор между анодоми катодом.Следовательно, электронный КПД магнетрона равенgэ = 1 −или, выразив величинуk2,через критические параметрыgэ = 1 −кр∙кр!крикр , имеемЭто соотношение устанавливает связь электронного КПД с режимом работымагнетрона, определяемым анодным напряжением и индукцией. Вкритическом режиме== кр и gэ = 0. В этом случае, как ужекр ,указывалось ранее, нет самовозбуждения.
Чем сильнее режим работыотличается от критического, тем выше электронный КПД. В реальныхмногорезонаторных магнетронах электронный КПД достигает 50–70% иболее.Зависимость электронного КПД магнетрона от величины магнитного поляможно сделать более наглядной, если учесть условие самовозбуждения приработе на любом фиксированном виде колебаний +− )2(=2(+ + 6*)Вводя это в выражение для электронного КПД и полагая для цилиндрическойсистемы, что = − , получимгде m =Z_Z^gэл = 1 −1+21+m1,07 1 + m=1−,1−m+S 1 − m– отношение радиуса катода к радиусу анода, S – резонанснаядлина волны вида колебаний +, выраженная в сантиметрах, авыраженная в теслах.– индукция,Из полученного выражения можно также сделать следующий вывод озависимости электронного КПД от номера вида колебаний при постояннойиндукции .
Наибольший КПД получают при π-виде колебаний, так как сростом + КПД увеличивается. Ниже показана теоретическая зависимостьэлектронного КПД от индукции и номера вида колебаний для8-резонаторного магнетрона, которая имеет вид гипербол.2. Электронное смещение частотыЭлектронным смещением частоты называют связь частоты генерируемыхколебаний с анодным током, по которому обычно контролируют режимработы магнетрона.Крутизна электронного смещения частоты а рабочем режимеnЭСЧ =rгtМГц/w3. Рабочие характеристикиРабочими характеристиками магнетрона называют связь между аноднымнапряжением и током при постоянных мощности, КПД, частоте илииндукции поля, т.
е. эти характеристики позволяют выбрать режим работы( , t ) при заданных мощности, КПД, частоте или индукции.Связьи t при = HI+Jx называют вольт-амперной характеристикоймагнетрона, кривые постоянной мощности y = HI+Jx имеют вид гипербол.Рабочие характеристики магнетронаа – кривые постоянной индукции;б – кривые постоянной генерируемой мощности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
