Устройство магнетрона.

Магнетрон – это диод с постоянным магнитным полем, перпендикулярным направлению электрического поля. Колебательная система магнетрона образована рядом объемных резонаторов, выполненных в толще анодного блока (рис.6.1).

Рис.6.1

Электроны эмитируются цилиндрическим катодом. Пространство между катодом и анодом называется пространством взаимодействия. В этой области постоянное электрическое поле направлено по радиусу, магнитное – перпендикулярно плоскости чертежа и в ней происходит обмен энергиями между электронами и СВЧ полем. Объемные резонаторы связаны с пространством взаимодействия через щели, поэтому СВЧ поле провисает в пространство взаимодействия. При определенных условиях в многорезонаторном магнетроне возникают колебания. Энергия выводится с помощью петли, находящейся в одном из резонаторов и коаксиальной линии или волновода. Так как постоянное электрическое поле направлено по радиусу, а постоянное магнитное поле – вдоль оси катода, электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны (скрещение поля).

6.2. Статические характеристики цилиндрического магнетрона.

Статическими характеристиками называются зависимости (рис. 6.2)

при

при

при отсутствии СВЧ колебаний.

рис. 6.2

Согласно курсу «Спецразделы физики», траектория движения электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях описывается траекторией точки, находящейся на ободе катящегося колеса (рис.6.3).

Рис.6.3

Если увеличивать индукцию магнитного поля при неизменном анодном напряжении U_a=Const то радиус катящего круга постепенно уменьшается. Электронные траектории, которые при B=0 нормальны к поверхностям анода и катода начинают искривляться. При d=2R в плоском магнетроне электроны лишь касаются анода в вершине циклоиды. При d>2R электроны, не доходя до анода, совершают многократные колебания по циклоиде. Ток анода резко падает. Соответствующая величина магнитной индукции называется критической индукцией B_kp. Конечная скорость спада тока при B=B_kp и наличие небольшого тока I_a¹0 при B>B_kp объясняется влиянием начальных скоростей электронов, колебаниями, спонтанно возникающими в электронном облаке магнетрона, и рядом других факторов.

Таким образом, в плоском диоде при

.

В цилиндрическом магнетроне

,

где – радиус катода;

– радиус анода.

При неизменной величине B существует критическое анодное напряжение , ниже которого ток через диод становится равным нулю.

.

Это уравнение определяет параболу критического режима (рис.6.4.)

Рис. 6.4.

.

Значение и являются важными параметрами, характеризующими работу магнетрона (рис.6.4). не только в статическом режиме, но и при наличии СВЧ колебаний. Рабочей областью магнетрона является область под параболой критического режима, где:

B>B_kp; U_a<U_akp.

6.3. Виды колебаний анодного блока многорезонаторного магнетрона.

Колебательная система многорезонаторного магнетрона состоит из объемных резонаторов и пространства взаимодействия. Соседние резонаторы связаны пространством взаимодействия, поэтому колебательную систему можно представить замкнутой цепочкой связанных резонаторов (рис.6.5),

Рис. 6.5.

Где: L и C – эквивалентные индуктивность и емкость идентичных резонаторов; С_k – емкость между сегментом и катодом, которая определяет емкостную связь между резонаторами.

Предполагается, что магнитная связь между резонаторами отсутствует.

В замкнутой системе цепочки резонаторов (звеньев фильтра) могут возбуждаться только те колебания, для которых сумма сдвигов фазы в звеньях при одном обходе кратна величине 2p. Сдвиг фазы на одно звено j₀, т.е. между колебаниями в соседних резонаторах, может принимать лишь следующие дискретные значения:

,

где N – число резонаторов, n – целое число, называемое номером вида колебаний. В теории фильтров доказывается, что сдвиг фазы на одно звено j₀ в полосе прозрачности системы не может быть более 180°, поэтому номер вида и соответствующие ему углы приобретают лишь следующие значения:

n				….
j0				….

Вид колебаний n=0, j₀ =0 называется синфазным, а n=N/2, j₀ = p – противофазным или p – видом.

Соотношение называют условием цикличности или замкнутости СВЧ – поля магнетрона.

Каждому виду колебаний соответствует собственная частота колебательной системы. Переход к другому виду означает изменение сдвига фазы j₀ на одно звено, а при фиксированных параметрах L, C, C_k каждого звена каждое новое значение j₀ можно получить только на другой частоте. Расчет по эквивалентной схеме приводит к формуле для частоты w_k/n вида колебаний с номером n:

,

где – собственная резонансная частота изолированного резонатора.

Расчет по теории фильтров дает

.

Где: – последовательное сопротивление лестничной структуры;

– параллельное сопротивление лестничной структуры.

,

откуда:

.

Из формулы видно, что с ростом n растет частота. Для p-вида

.

Для вида n=0 формула неприемлема. Каждому виду соответствует вполне определенная картина СВЧ поля в пространстве взаимодействия. Например, при N=8 для видов n=4 и n=2 картины поля в пространстве взаимодействия имеют вид рис.6.6.

Рис. 6.6.

Рабочим видом колебаний в многорезонаторных магнетронах, обеспечивающим максимальный к.п.д., является p-вид. p-вид возможен только при четном количестве резонаторов.

СВЧ поле имеет азимутальную E_q и радиальную E_r составляющие. Картина распределения азимутальной составляющей СВЧ поля по азимуту имеет вид рис.6.7.

Рис.6.7.

Зависимость поля от азимута несинусоидальная, поэтому как и в замедляющих системах с периодическими неоднородностями, необходимо учитывать пространственные гармоники.

Понятие пространственных гармоник введено для бегущих волн, а в пространстве взаимодействия магнетрона поле имеет характер стоячей волны. Очевидно, что несинусоидальную по азимуту стоячую волну можно представить как суперпозицию двух несинусоидальных по азимуту волн, бегущих в противоположных направлениях. Каждую из этих волн можно заменить суммой пространственных гармоник. В результате для каждого номера гармоники имеется две синусоидальных волны, бегущих с равными фазовыми скоростями, но в противоположных направлениях.

Условие цикличности справедливо лишь для нулевой пространственной гармоники (p=0) любого вида колебаний. Для гармоники с номером p сдвиг фазы на одно звено системы фильтров.

; где

Очевидно, что волна нулевой гармоники вида n совершает один обход пространство взаимодействия за время nT_n, а путь между соседними резонаторами за время

,

где T_n – период высокочастотного поля вида n. Для гармоники с номером p время движения между соседними резонаторами на целое число периодов больше, чем , т.е.

Поэтому угловая скорость волны пространственной гармоники p-номера вида n, для геометрического угла между соседними резонаторами

.

Из формулы следует, что для любого вида колебаний n максимальная угловая скорость у нулевой гармоники. Наименьшая угловая скорость нулевой гармоники наблюдается у p -вида

.

Очевидно, что для p -вида наибольшую и одинаковую по абсолютной величине угловую скорость имеют одновременно пространственные гармоники p=0 и p=-1.

Фазовые скорости волн, бегущих вдоль анодного блока равны

Чем выше номер вида колебаний n и чем больше номер пространственной гармоники p, тем меньше скорости прямых и обратных волн, вращающихся в пространстве взаимодействия. Волна, соответствующая p=0 имеет при данном n наибольшую фазовую скорость и является основной волной.

Величина фазовой скорости может быть сделана значительно меньше скорости света c в свободном пространстве. Замедление

,

где l – рабочая длина волны в свободном пространстве.

Для волны p -вида при p=0.

,

при l=3 см, r_a=0,5 см; N=16:

.

6.4. Движение электронов в пространстве взаимодействия магнетрона. Фазовая фокусировка. Спицы пространственного заряда.

Если высокочастотные колебания отсутствуют, электроны движутся по циклоидам. Конвекционный ток анода при B>B_kp равен нулю. Рассмотрим изменение этого движения при наличии малых высокочастотных колебаний.

Наиболее интенсивное взаимодействие электронов с СВЧ полем может быть при условии, что электрон длительное время находится в тормозящей фазе СВЧ поля. СВЧ поле в пространстве взаимодействия может быть представлено в виде волн, бегущих в пространстве между катодом и анодом. Поэтому условие приблизительного постоянства фазы СВЧ поля относительно электрона можно рассматривать, как условие равенства фазовой скорости одной из волн и средней скорости V_ц, с которой перемещается центр катящегося круга

При обеспечении синхронизма для одной из волн действие на электрон других волн можно не учитывать, так как их фазовые скорости будут значительно отличаться от V_ц.

Свяжем с одной из волн систему координат, двигающуюся вместе с волной со скоростью . Электрическое поле волны относительно этой системы координат является неподвижным. Пусть средняя скорость электронов, равная совпадает с фазовой скоростью волны . Рассмотрим поведение типичных электронов, находящихся в разных участках пространства взаимодействия (рис.6.8).

Рис.6.8

Результирующее электрическое поле определяется сложением векторов постоянного и СВЧ электрических полей и будет разным в точках 1,2,3,4.

Результирующее электрическое поле E_å, действующее на электрон типа 1, не изменяет своего направления, но уменьшается по абсолютной величине (рис. 6.9.).

Рис. 6.9

Скорость центра катящегося круга, равная теперь , уменьшится по сравнению со статическим режимом. В результате электрон типа 1 начинает отставать от бегущей волны и постепенно смещается к электрону типа 4. Похожее изменение происходит и с электроном типа 3 для которого результирующее электрическое поле несколько увеличивается по сравнению со статическим режимом (рис 6.10).

Рис. 6.10

Поэтому электрон типа 3 двигается быстрее волны и постепенно тоже приближается к электрону типа 4. Электрон типа 4 вынужден двигаться в поле E_å мало отличающемся по абсолютной величине от статического электрического поля, по имеющем некоторый наклон вектора E_å (рис. 6.11).

Рис. 6.11

Этот наклон означает, что круг, определяющий циклоидальную траекторию, не должен более катиться параллельно плоскости катода. Качение круга должно теперь происходить по линии, перпендикулярной E_å, т.е. наклоненной в сторону анода. В неподвижной системе координат электрон типа 4, оставаясь в синхронизме с волной, постепенно двигается по направлению к аноду.

Таким образом, электрон типа 4 длительное время находится в области максимального поля. При каждом циклоидальном колебании электрон теряет часть потенциальной энергии и поднимается все ближе к аноду (рис. 6.12). Вращательная энергия электрона остается примерно постоянной.

С физической точки зрения электрон типа 4 является наиболее благоприятным для поддержания колебаний в магнетроне. Электроны типов 1 и 3 постепенно улучшают свою фазу относительно ВЧ поля и, попадая в тормозящее тангенциальное поле, так же становится благоприятными для генерации.

Рис.6.12

Электрон типа 2 после выхода из катода подвергается действию ускоряющего тангенциального поля (рис. 6.13).

Рис.6.13.

Плоскость, по которой происходит качение круга, наклоняется в сторону катода. В конце первого циклоидального колебания, электрон типа 2, поглотив часть энергии от ВЧ поля, ударяется о катод и прекращает дальнейшее существование в пространстве взаимодействия (рис.6.14). Электрон типа 2 является неблагоприятным для возбуждения колебаний. Поскольку он быстро «отсортировывается» на катод, в пространстве взаимодействия остаются в основном благоприятные электроны.

Рис. 6.14.

Таким образом, действие высокочастотного электрического поля автоматически приводит к сортировке электронов, причем благоприятные (правильнофазные) электроны отдают ВЧ полю больше энергии, чем поглощают неблагоприятные электроны. В результате малые колебания должны нарастать по амплитуде, т.е. должно происходить самовозбуждение магнетрона.

Благоприятные электроны создают конвекционный ток анода при B>B_kp. Неблагоприятные для возбуждения колебаний электроны, бомбардирующие катод, вызывают его дополнительный разогрев и приводят к появлениюзначительной вторичной эмиссии с катода.

Основную роль в группировке (фазовой фокусировке) в магнетроне играет радиальная составляющая СВЧ электрического поля. Роль тангенциальной составляющей сводится к отбору энергии от электронов.

Образование электронных сгустков можно наглядно проследить в системе координат, двигающейся со скоростью замедленной волны (рис. 6.15).

Рис. 6.15.

В этой системе при отсутствии СВЧ колебаний центры катящихся кругов, определяющих реальные траектории электронов, останутся неподвижными. Каждый из электронов при этом описывает окружность. Действие радиального и тангенциального СВЧ полей приводят к тому, что центры катящихся кругов постепенно смещаются.

Преобладает передача энергии полю, что усиливает воздействие поля на электронный поток и т.д. В пространстве взаимодействия возникают пульсации границы облака пространственного заряда, которые в установившемся режиме достигают анода. Динамический пространственный заряд приобретает форму спиц, которые вращаются вокруг анода с постоянной угловой скоростью (рис.6.16).

Число спиц, очевидно равно числу тормозящих областей СВЧ поля в пространстве взаимодействия, т.е. номеру вида колебаний. У колебаний p-вида число спиц максимально и равно половине числа резонаторов. В спице существует динамическое равновесие: в нее постоянно входят электроны из прикатодной области и постоянно выходят электроны на анод.

Рис. 6.16

Дата добавления: 2015-07-12