29_kospect_electro (555831), страница 26
Текст из файла (страница 26)
СВЧ приборы магнетронного типаВиды движения электронов в приборах типа «М».Принцип группирования электронов. Конструкциямногорезонаторного магнетрона. Виды колебаний. Траектории движения электронов вмногорезонаторном магнетроне, парабола критического режима. Основные потери энергии.Многорезонаторный магнетрон – электровакуумный прибор типа М для генерирования СВЧ колебаний вкоторых образование электронного потока и его взаимодействие с переменными электрическими полями рядаколебательных контуров – резонаторов происходит в стационарных скрещенных электрическом и магнитномполях. Колебательная система магнетрона образована рядом объёмных резонаторов, выполненных в толще анода(анодного блока).
Электроны эмитируются цилиндрическим катодом.Пространство между катодом и анодным блоком называется пространством взаимодействия. В этойобласти происходит обмен энергией между электронами и СВЧ полем. Объёмные резонаторы связаны спространством взаимодействия через щели, так как СВЧ поле проникает в это пространство.
При определённыхусловиях в многорезонаторном магнетроне возникают колебания, энергия которых выводиться с помощью виткасвязи в одном из резонаторов и коаксиальной линии или волновода. Вакуумная камера магнетрона помещенамежду полюсами или постоянного магнита, направление магнитного поля совпадает с осью катода. Анодмагнетрона имеет положительный потенциал Uо относительно катода, силовые линии электрического полянаправлены по радиусу и в пространстве взаимодействия движение электронов происходит в скрещенных(взаимно перпендикулярных) полях.
Движение электрона представим как перемещение точки круга, катящегосябез скольжения по цилиндрической поверхности катода. Траектории электронов в зависимости от индукциимагнитного поля представлены на рис.3:1. B=0 движение электронов к аноду по радиусу.2. B≠0 искривление траектории, но электрон ещё попадает на анод.3. B=Bкр траектория электронов касается анода.4. B>Bкр электрон не доходит до анода.В отсутствии колебаний электроны движутся по эпициклоидальной траектории (при начальной скоростиэлектронов, равной нулю).
Критическое магнитное поле, при котором электроны касаются поверхности анода,можно определить из напряженности12Eo34rBdРис. 2. Траектории движения электронов в магнетронеэлектрического поля в области взаимодействия E ≈ U a d , радиуса вращения электронов в магнитномполе прибора. ; r =mU aed B 2при r = d 2 .
В результате получаем связь между критическими значениямииндукции магнитного поля и анодного напряжения:B Кр =2mU a(1)ed 2U Кр = ed 2 B 2 / 2mUaIa ≠ 0Ia = 0BРис. 3. Парабола критического режимаРассмотрим свойства колебательной системы магнетрона (возможные виды колебаний).Соседние резонаторы связаны через пространство взаимодействия (емкостная связь), образуязамкнутую цепочку полосовых фильтров.
В замкнутой системе из N резонаторов существуют лишь теколебания, для которых суммарная разность фаз при обходе по окружности анодного блока равна∆Ф=2πn, n=0,1,…N , и указывает число целых периодов СВЧ колебаний, укладывающихся вдольокружности анодного блока.Разность фаз в соседних резонаторах ∆ϕ =2π nлишь дискретные значения, n – номер периодаNколебания.
Разность фаз ∆φ не может быть более π. Поэтому n принимает значенияn=0,1,2…N−1,2NN. Колебания при n=0 (∆φ=0) называют синфазными, при n =(∆φ=π) – противофазными или222πnколебанием π-вида. Соотношение ∆ϕ =называется условием цикличности или замкнутости СВЧNполя магнетрона. Каждому виду колебаний соответствует своя собственная частота системы, иследовательно частота генерируемых колебаний. Из эквивалентной схеме колебательной системыопределяется частота генерируемых колебаний:fn =f рез(3)С1 + 1 (1 − cos ∆ϕ )2Сздесь f рез - собственная частота резонатора, С1 – емкость между сегментом анода и катодом, С –эквивалентная емкость резонаторов.
Переход к другим n соответствует изменению ∆φ и частотыколебаний. Каждый вид колебания имеет определенную картину распределений поля, этораспределение в зависимости от азимута несинусоидальное, поэтому следует рассматриватьпространство гармоники СВЧ поля. Пример распределения СВЧ поля в пространстве взаимодействиямагнетрона представлен на рис.3.N=4-E0+-+-n=2θРис.4. Силовые линии электрического поля и изменение азимутальнойсоставляющей напряжённости Eθ для π - вида колебания в развёрнутой модели четырехрезонаторного магнетрона (n=4).Обычно рабочим является π - вид колебаний, т.к.
ему соответствует наименьшее анодноенапряжение и наибольший электронный КПД. Частота колебаний π - вида близка к частоте соседнего пономеру вида колебаний. При одинаковых резонаторах увеличение разности частот достигаетсяприменением связок, т.е. проволочных или ленточных проводников, расположенных над торцамианодного блока и присоединённых в определённой последовательности с сегментом (через одинсегмент). Связки соединяют точки с одинаковым потенциалом для π - вида колебаний и не влияют нараспределение потенциала. Для других видов колебаний соединяемые точки имеют разные потенциалы,по связкам текут уравнительные токи, что эквивалентно подключению индуктивности параллельнокаждому резонатору.
Это приводит к повышению частот нерабочих видов колебаний, т.е. разное почастоте от π - вида. Для этой же цели используются резонаторы разных размеров (разнорезонаторныемагнетроны).Рассмотрим статический и динамический режимы работы магнетрона. В статическом режиме впространстве взаимодействия нет СВЧ поля электроны, вылетевшие из катода с нулевой скоростьюсовершают циклоидальное движение. Выбирают режим вблизи критических, когда I a = 0 . Околокатода образуется вращающееся электронное кольцо, в котором электроны перемещается по этимэпициклоидальным траекториям с некоторой переносной скоростью.Рис.
___ Формирование вращающегося электронного кольца в статическом режиме магнетронаПри объяснении самовозбуждения необходимо учитывать, что в пространстве взаимодействияимеется СВЧ поле флуктуационного происхождения. При определённом анодном напряжениипереносная скорость ν п = ν фп фазовой скорости одной из пространственных гармоник, какого-то видаколебаний, например π- вида и начинается эффективное взаимодействие электронов и поля.
Радиальнаясоставляющая поля вызовет некоторое группирование электронов в тормозящей области поля, аазимутальная составляющая поля будет смещать электроны в радиальном направлении к аноду, приэтом электроны будут отдавать свою энергию СВЧ полю. Рост поля будет усиливать взаимодействияэлектронов с полем и т.д. В пространстве взаимодействия возникают пульсации границы облакапространственного заряда, которые в стационарном режиме достигают анода.Рис.
____Динамический пространственный заряд имеет форму спиц, которые вращаются вокруг катода спостоянной угловой скоростью. Число спиц равно числу тормозящих областей СВЧ поля, гдепроисходит группирование электронов, т.е. равно номеру вида колебаний.12345Рис.1 и 5 – электроны начали движение в неблагоприятной фазе (в ускоряющем поле). Электроны 2,3,4 –благоприятной фазе (в тормозящем поле).В спице существует динамическое равновесие: в нее непрерывно входят электроны из области катода ивыходят отработанные электроны на анод.Напряжение Uc , при котором начинается генерация, называется пороговым, при этом появляетсяанодный ток магнетрона.Условие самовозбуждения магнетрона: равенство фазовой скорости выбранной пространственнойгармоники с номером Р вида колебаний n и скорости переносного движения электронов Vф(n,p)=VпДля цилиндрической геометриии магнетрона: угловая скорость движения волны вокруг катода равнаугловой скорости электронов спицы Ω n, p = Ω ýE ω n ( r0 + rê )=B 2( n + pN )Условие синхронизма:U 0 кор =( )ω n ( r0 2 + rк 2 ) B()2(n + pN )ωn – частота колебания n-видаНаименьшее пороговое напряжение соответствует колебаниям π - вида.Наименьшее анодное напряжение, при котором возможно синхронное вращение электронных спицназывается потенциалом синхронизации2mπc 2UС =e ra kλ 2(17’.37)к – число периодов, в течение которых электрон пролетает мимо всех резонаторов и возвращается кисходной точке.UaПрямая порогового напряжения дляколебания π - вида(при U a и В в этой области либо невыполняется условие синхронизмалибо отработавшие электроны непопадают на анод)Uc2Uc1UcBРис 17.19.
Диаграмма рабочих режимов магнетронаЧастотное разделение видов колебаний достигается с помощью связок – это проволочные илиленточные проводники, расположенные над торцами анодного блока и присоединённые в определённойпоследовательности к его сегментам.17.9 Параметры и характеристики многорезонаторного магнетронаЭлектронный КМД – это отношение мощности СВЧ – колебаний к мощности, подводимой к магнетронуот источника постоянного напряжения в анодной цепиW − Wк WСВЧ;(17’.38)η= П=WПWПW П - пост. энергия электрона;W П = eU a ;(17’.39)W П − WK = WСВЧ ;(17’.40)Wk - кинетическая энергия электрона у анода, ??? в виде тепла на анодеηэ = 1−Wk;eU amν a2;2ν a - скорость электрона у анода.Wk =(17’.41)(17’.42)Максимальное значение ν a = 2ν П = 2 Е / В ≈ 2U a / dBв верхней точке циклоиды2U a Вкр ;Для критического режима η э = 1 −U окр В η э = 1 − 2mU a / ed 2 B 2 ;U a = U акр(17’.43)(17’.44)(17’.45)η =0В = ВкрВеличины U a и B связаны условием синхронизма для U апер =wn ( ro2 − rn2 ) B2( n + pN )2mwП (ra2 − rk2 )ηэ = 1−ednBС увеличением индукции В происходит рост электронного КПДηэ1,0(17’.47)N=840,5(17’.46)3n=2n=10BРис 17’.20Кривые зависимости η э = f ( B) имеют вид парабол.Электронное смещение частоты – это зависимость частоты генерируемых колебаний от анодного токаωrω0IaРис.
17’.21Рабочие характеристики магнетрона – это связь между анодным напряжением и током при постоянныхвеличинах индукции поля, постоянной мощности, КПД и частоте.B2 >B1UaB1IaРис. 17’.22Ua=f(Ia) при пост. В называется вольтамперной характеристикой магнетрона.При малых и больших токах нир??вая работа магнетрона. Возбуждение колебаний начинается припороговом значении Ua, затем ток резко возрастает.При переходе к другому В генерация возникает при других Ua.UaP2>P1P1IaРис 17’.23. Кривые постоянной генерирующей мощностиPсвч=ηэIaUa Если =ηэ – пост. то связь U0 и Ia выражается гиперболой.Uaηэ2>ηэ1ηэIaРис 17’.24При малых анодных токах ηэ – мало, т.к. больше электронные потери, малая интенсивность колебаний,плохая группировка колебаний.При больших токах ηэ уменьшается, т.к.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
