И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 105
Текст из файла (страница 105)
В результате совместного действия электрического и магнитного полей на потоки электронов в магнетронах возникает генерация колебании высокой частоты. В настоящее время широкое распространение получили многореэонаторные магнгтроньл идея создания которых была выдвинута М. А. Бонч- Бруевичем, а первые образцы построены и испытаны Н.
Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым. Устройство магнетрона показано на рис. 25.6. Он представляет собой диод с анодом особой конструкции, Катод в большинстве случаев применяется оксидный подогревный с большой пло- 331 332 Рнс. 25.6. Устройство ыагнетрона щадью поверхности.
На торцах катода расположены диски, препятствующие движению электронов вдоль оси. Анод сделан в виде массивного медного блока. Вакуумное пространство между катодом н анодом называется пространством взаимодействия. В толще анода размещается четное число, например восемь, резонаторов, представляющих собой цилиндрические отверстия, соединенные щелью с пространством взаимодействия. Щель выполняет функцию конденсатора. На ее поверхностях образуются переменные электрические заряды, а в самой щели возникает электрическое поле.
Индуктивностью резонатора служит цилиндрическая поверхность отверстия, которая эквивалентна одному витку. Большая площадь поверхности витка приводит к уменьшению активного сопротивления и индуктивности. Такой резонатор представляет собой нечто среднее между колебательной системой с сосредоточенными параметрами и четвертьволновой резонансной линией. В некоторых типах магнетронов резонаторы делают в виде щели глубиной в четверть волны (рис. 25.7). Все резонаторы магнетрона сильно связаны друг с другом, вследствие того что переменный магнитный поток одного резонатора замыкается через соседние резонаторы (рис. 25.8), Кроме того, резонаторы соединяют лруг с другом Рнс. 25.7.
Резонаторы магнетрона в виде чет- нертьнолнояых короткозамкнутых линий Рнс. 25.8. Магннтная связь между соседними резонаторами посредством проводов, называемых связками (см. рнс. 25.6). Наружная часть анода обычно делается в виде ребристого радиатора для лучшего охлаждения. Иногда его обдувают воздухом. С боковых сторон к аноду припаяны медные диски, образующие вместе с анодом баллон, необходимый для сохранения вакуума. Выводы от подогревателя проходят в стеклянных трубках, спаянных с анодом. Катод обычно подключен к одному из выводов подогревателя.
Для отбора энергии колебаний вводится в один нз резонаторов виток связи, соединенный с коакснальной линней. Ее вывод также проходит через стеклянную трубку. Благодаря сильной связи между резонаторами энергия отбирается от всех резонаторов. Вместо коакснальной линии для вывода энергии на очень коротких волнах используется волновод, соединенный с резонатором через щель. Иногда также применяют коаксиально-волноводный вывод.
Анод магнетрона имеет высокий положительный потенциал относительно катода. Так как анод служит корпусом магнетрона, то его обычно заземляют, а катод находится под высоким отрицательным потенциалом. Между анодом и катодом создается ускоряющее поле, силовые линии которого расположены радиально, как в диоде с цилиндрическими электродами. Вдоль оси магнетрона действует сильное постоянное магнитное поле, созданное магнитом„ межлу полюсами которого располагается магнетрон. Один из вариантов магнитной системы показан на рис. 25.9. В так называемых пакетированных магнетронах поетоянные магниты входят в конструкцию самого магнетрона. Рассмотрим сначала движение электронов в магнетроне, предполагая, что колебаний в резонаторах нет.
Для упрощения изобразим анод без щелей 1рис. 25.10). Под влиянием ускоряющего электрического поля электроны стремятся лететь по силовым линиям, т. е. по радиусам, к аноду. Но как только они набирают некоторую скорость„постоянное магнитное поле, действующее перпендикулярно электрическому полю, начинает искривлять их траектории. Так как скорость электронов постепенно нарастает, то радиус этого искривления постепенно увеличивается. Поэтому траектория электронов будет сложной кривой.
На рисунке показаны траектории электрона, вылетевшего из катода с ничтожно малой начальной скоростью, для разных значений магнитной индукции В. Анодное напряжение при этом одно и то же. Если В = О, то электрон летит по Анод Рис. 25.10. Влияние магнитного поли на дви- жение электронов в мвгнетроне радиусу 1. При магнитной индукции, меньшей некоторого критического значения В , электрон попадает на анод по криволинейной траектории 2. Критическая магнитная иццукция В„р соответствует более искривленной траектории 3. В этом случае электрон пролетает у поверхности анода, почти касаясь ее, и возвращается на катод.
Наконец, если В > В„р, то электрон еще круче поворачивает обратно где-то в промежутке между анодом и катодом (кривая 4) и возвращается на катод. Магнетроны работают при магнитной индукции, несколько большей критической. Поэтому электроны при отсутствии колебаний пролетают близко к поверхности анода, но на различных расстояниях от нее, так как при вылете из катода они имеют различную начальную скорость. Поскольку движется очень большое число электронов, то можно сказать, что вокруг катода вращается электронный объемный заряд в виде колъца — электронное «облачко» 1рис. 25.1!). Конечно, электроны не на- Рис.
25.9. Мвгнетрон с внешней магнитной системой ! — вывод СВЧ; г — радиатор; 3 — магнит; 4— вывод подогревателя Рис. 25.11. Вращающееся электронное «облачко» в магнетроне при отсутствии колебаний 333 ходятся в нем постоянно. Ранее вылетевшие электроны возвращаются на катод, а на их место из катода вылетают новые электроны. Скорость вращения электронного «облачка» зависит от анод- ного напряжения, с увеличением которого электроны пролетают около анода с большей скоростью.
Чтобы электроны не попадали на анод, необходимо увеличивать при этом и магнитную индукцию. Вращающийся электронный объемный заряд, образованный совместным действием постоянных электрического и магнитного полей, взаимодействует с переменными электрическими полями резонаторов и поддерживает в нпх колебания. Процесс взаимодействия весьма сложен, поэтому он будет рассмотрен лишь приближенно. Прежде всего выясним вопрос а возникновении колебаний в резонаторах. Так как все резонаторы сильно связаны друг с другом, то они представляют собой сложную колебательную систему, имеющую несколько собственных частот.
Когда электронный поток впервые начинает вращаться около шелей резонаторов (например, при включении анодного напряжения), то в резонаторах появляются импульсы наведенного тока и возникают затухающие колебания. Они могут иметь разную частоту и фазу. Например, если система симметрична, то в резонаторах должны воз- пикнуть колебания, совпадающие по фазе. Однако полной симметрии быть не может.
Поэтому возникают и другие колебания с фазовым сдвигом между собой. Основной тип колебаний, даюший наибольшую полезную мощность и наиболее высокий КПД, — колебания в соседних резонаторах с фазовым сдвигом 180 !колебания я-вида). На рис. 25.12 изображены силовые линии переменных электрических полей для таких колебаний и знаки переменных потенциалов на сегментах анода, а также направления токов, протекающих по поверхности резонаторов. Так как роль постоянного электрического поля, ускоряющего электроны и дающего им кинетическую энергию, известна, то для упрощения это поле не показано.
Для противофазных колебаний очень сильна индуктивная связь между резонаторами, за счет того что магнитный поток из одного резонатора переходит в соседние резонаторы !см. рис. 25.8). Магнетроны, как правило, работают с этим типом колебаний, и приняты меры для того, чтобы такие колебания возбуждались как можно легче. С этой целью применяют связки, т. е. соединяют проводами через один сегменты анода, имеющие переменные потенциалы одного знака.
Возникаюшие колебания других типов обь!чно быстро затухают. Рис. 25.!2. Путь «вредного» (А) и «полезного» (л) электрона в мвгнетрене при колебаниях в резонаторах 334 Взаимодействие электронов с переменным электрическим полем таково, что при правильном режиме электронный поток отдает полю больше энергии, чем отбирает от него.
Это именно и нужно для превращения возникших в резонаторах колебаний в незатухающие. Передаче энергии от электронного потока в резонаторы способствуют следующие явления. Прежде всего переменное электрическое поле как бы сортирует электроны на «полезные» и «вредные», причем «вредные» электроны быстро удаляются из пространства взаимодействия, возвращаясь на катод. Рассмотрим этот процесс. Для электронов, движущихся по часовой стрелке (рис. 25А2), электрические поля резонаторов 1, 3, ...— ускоряющие, а поля резонаторов 2, 4, ...— тормозящие. Через полпериода эти поля поменяются местами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
