Стр.202-301 (1152180), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

В этой системе при отсутствии СВЧ колебаний центры катящихся кругов, определяющих реальные траектории электронов, остаются непо. движными. Каждый электрон описывает при этом в движущейся системе замкнутую окружность, как показано на рис. 7.16, а Действие радиального и таигенциального СВЧ полей приводит к тому, что центры катящихся кругов для электронов типов 1, 2, 3 и 4 начинают постепенно смещаться, как показано пунктиром на рис. 7.16, б.

Электрон типа 4, а также присоединяюшиеся к нему электроны типов! и 3 «поднимаются» к аноду, в то время как наиболее неблагоприятный электрон типа 2 «опускается» на катод. Все электронное облако, вращающееся вокруг катода при соблюдении синхронизма с угловой частотой»г„р. разбивается на дискрет. ные сгустки — спицы, простирающиеся от «втулки» пространствен. ного заряда к аноду. Огибающая спиц цилиндрического магнетрона 281 в фиксированный момент времени, полученная в результате численных расчетов, изображена на рис. 7.16, в. Форма спиц пространственного заряда напоминает спицы махового колеса, втулкой которого являются катод и прилегающий к нему слой электронов. Возможна также аналогия с ротором синхронной электрической машины; роль статора играет резонаторная система магнетрона. Полное число спиц в генерирующем магнегроне может быть найдено, если учесть, что каждому максимуму тормозящего тангенциального поля соответствует одна спица.

В соответствии с условием (7.25) при работе на основной гармонике (р = 0) количество замедленных длин волн в точности равно номеру вида колебаний л. Следовательно, при виде колебаний и = 1 имеется всего одна спица, при и = 2 — две спицы и т. д. В случае и-вида колебаний в магнетроне существует наибольшее число спиц пространственного заряда, У равное —; скорость вращения спиц является при этом наименьшей. 2' Если синхронизировать электронное облако с одной из пространственных гармоник р + О, то количество спиц должно в принципе равняться ~п + рА1 ~.

Скорость вращения спиц должна соответственно уменьшиться. Заметим, впрочем, что поля пространственных гар. моник резко убывают в радиальном направлении от поверхности анода. Поэтому возбуждение магнегрона даже при р = ~1 не может быть полностью описано рассмотренным механизмом образования спин пространственного заряда. й ТД. УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ МНОГОРЕЗОНАТОРНОГО МАГНЕТРОНА Самовозбуждение магнетрона, как и других автогенераторов СВЧ, может быть проанализировано с помощью уравнений типа (3.2) и (3.3) и общей эквивалентной схемы, приведенной на рис. 3.1. Эта схема предполагает знание функции полной электронной проводимости г ал = Оэд + 1 Вал Расчет электронной проводимости магнетрона не является столь же простым, как в случае отражательного клистрона.

В самом деле, электроны, находящиеся в пределах спиц, при своем движении наводят на сегментах анода высокочастотные токи по общим принципам, лежащим в основе электроники СВЧ. Однако непосредственно воспользоваться уравнением наведенного тока 1„„, = — е(Еу) здесь трудно ввиду сложного характера движения электронов и сложной структуры поля. Столь же сложно вычисление мощности, о~даваемой электронами высокочастотному полю в процессе движения в пространстве взаимодействия.

Поэтому приводимые далее соображения основываются главным образом на концепции вращающегося пространственного заряда, качественно обсуждавшейся в предыдуших разделах. а. Ээемеигоримй вавод воловий сомовоэйдмдеиои Рассмотрим сначала случай, когда отношение радиусов катода и анода магнегроиа близко к единице, т. е. система электродов близка к плоской. Примем, что условием отдачи электронами максимальной энергии высокочастотному полю является совпадение фазовой скорости бегущей волны и средней скорости движения электронов в отсутствие колебаний, т.

е. соотношение (7.36). При этом всякое первоначальное колебание, возникающее в анодном блоке магнетрона, должно нарастать до тех пор, пока не начнут действовать ограничивающие нелинейные эффекты. Используем уравнение (7.30), определяющее фазовую скорость волны и-го вида р-й пространственной гармоники. Чтобы получить условие усредненного синхронизма между электронами и волной, вместо радиуса анода г, в (7.Э)) подставим средний радиус пространства взаимодействия, равный на+ ск Г ср 2 Таким образом, средняя фазовая скорость волны в пространстве взаимодействия составляет )и с сс (са + ск) 2 (л+ рУ) Средняя скорость движения электронов по (7.19) равна ок' = —.

Е Отсюда условие синхроннзма (7.36) может быть записано в виде сс (са +ск) В 2(л+рФ) В рассматриваемой системе напряженность постоянного электрии, ческого поля можно выразить в виде Е ж ' . Подставляя эту Га — Гн величину в предыдущее уравнение и учитывая, что генерируемая частота определяется в основном резонансной частотой данного вида колебаний, т.

е. что со = оэ„, имеем: (( мк (са — ск ) В (7.37) 2 (л+ рУ) Согласно этому уравнению анодное напряжение, прн котором должно происходить самовозбужденне многорезонаторного магнетрона, для каждого вида колебаний при фиксированном номере гармоники р линейно связано с индукцией магнитного поля. Отношение У„! В есть величина постоянная для данного магнетрона при заданных значениях и и р. На рис. 7.17, а построены соответствующие графики для трех видов колебаний 8-резонаторного магнетрона при р = О. Здесь же построена парабола критического режима, рассматривавшаяся в 27.2, б. 233 Прямые, определяемые уравнением (7.37), проходят через начало координат н пересекают критическую параболу.

С физической точки зрения понятно, что при У, ) У„нр генерация колебаний типа бегущей волны невозможна: все электроны попадают на анод не позднее чем через половину периода циклоидального колебания. Поэтому условиям самовозбуждення отвечают лишь участки прямых, выделенные иа рис. 7.17, а сплошными линиями и лежащие ниже параболы критического режима.

Рассмотренные графики самовозбуждения не могут претендовать на большую точность. Исходя из уравнения (7.37) и из рис, 7.!7, а, можно лишь установить, что для каждого вида колебаний существуют або)У ая и(уа ()а 7 в в, в в Б) ,п а) Рис. 7.17. Самовоаоуждение магнетрона; а — по упрощенному уравнению (7 37) при )У= 8, б — по уравнению (7.38) длв и-вида колебаний оптимальные соотношения между постоянным анодным напряжением и индукцией магнитного поля. Это не означает, однако, что генерирование колебаний невозможно в точках плоскости (У„В), не лежащих на указанных прямых. Если увеличивать анодное напряжение прн неизменной индукции магнитного поля, то генерируемая мощность на данном виде колебаний должна переходить через максимум и уменьшаться при удалении от прямой, определяемой уравнением (7.37).

При дальнейшем увеличении напряжения (7, могут быть достигнуты условия синхронизма с полем волны следующего вида, нме. ющего более низкий номер и. Естественно предположить, что существует промежуточная область неустойчивой генерации, где небольшие изменения анодного напряжения и постоянного анодного тока приводят к скачкообразному переходу с одного вида колебаний на другой. Отвлекаясь от возбуждения колебаний на пространственных гармониках, отметим, что и-вид колебаний требует для своего возбуждения наименьшего анодного напряжения. Эю свойство я-вида играет большую роль, особенно при работе магнетронов в импульсном режиме.

Одновременно можно сделать вывод, что и-вид отделен от других видов колебаний не только по частоте, как было показано в 5 7.3, д, но и по величине анодного напряжения. б. 'геочнение уеловий еамововбуведенич колебаний гила бегущей волны. Пороговое вводное нанряяеение Одним из признаков возбуждения колебаний является протекание конвекционного электронного тока в анодной цепи магнетрона Действительно, благоприятные электроны в присутствии высокочастотных колебаний обязательно должны двигаться по направлению к аноду (см. рис. 7.15). Постоянное анодное напряжение (/„при котором бесконечно малая амплитуда СВЧ колебаний в резонаторной системе обеспечивает попадание электронов на анод в случае В ) В„р, называется порогоеым напряжением магнетрона (/„. Если проанализировать более подробно условия самовозбужденйя цилиндрического многорезонаторного магнетрона, то величина порогового напряжения оказывается связанной с магнитной индукцией В, радиусами анода и катода г, и г„, номером вида колебаний и и номером пространственной гармоники р уравнением Хартри (/ ын (еа ек ) В ~~~а / мв (7.38) 2(н+ р//) 2е ~ и+р)/ / (вывод этого уравнения здесь опускается).

Сравнение уравнения (7.38) с приближенным соотношением (7.37) показывает их большое сходство. В самом деле, первый член (7.38) в точности совпадаег с правой частью уравнения (7.37), т. е. пороговое напряжение также линейно связано с индукцией В. Для фиксированных значений и и р пороговая прямая (/„= )(В) параллельна прямой самовозбуждения (/, = 7(В), получейной по (7.37), и не проходит через начало координат, а сдвинута вниз (в сторону более низких напряжений (/в) при заданной величине В. Нетрудно показать, что пороговая прямая имеет только одну общую точку с параболой критического режима.

Координаты точки касания (/в и В, определяются уравнениями 2е (л+ р)Ч)г / еве ~ и+рМ ев Уравнение (7.38) при работе на основной волне (р = 0), используемой в большинстве магнетронов, можно переписать в более удобном виде где величина В выражена в тесла и длина волны Х вЂ” в сантиметрах. На рис. 7.17, б построена прямая порогового напряжения (/„ = = 7(В), соответствующая уравнению (7.38). Постоянное напряжение (/в, соответствующее касанию линии Хартри к параболе критического режима, называется иногда напряжением синхронизации и имеет простой физический смысл. При (/, = (/в электроны, двигающиеся 285 около анода параллельно его поверхности, оказываются как раз в синхронизме с полем бегущей волны.

Между линией Хартрн и параболой критического режима находится зона гемераг)ии магнетрона, заштрихованная на рис. 7.17, б. Рабочее анодное напряжение магнетрона с этой точки зрения должно удовлетворять условию У, ~ Угг Зона генерации, наблюдаемая у реальных магнетронных генераторов, имеет сходство с рис. 7.!7, б, но ее нижняя граница проходит обычно несколько ниже и параллельно линии Хартри. Ширина зоны зависит от степени нагруженности колебательной системы магнетрона на рабочем виде колебаний, а также от эмиссионной способности катода.

Характеристики

Список файлов книги