Назначение и устройство многорезонаторного магнетрона

Магнетроном называется мощный автогенератор синусоидальных колебаний СВЧ, в котором управление электронным потоком осуществля­ется при помощи электрического и магнитного полей.

В передающих устройствах РЛС применяются магнетроны, создате­лями которых являются советские инженеры Н.Ф.Алексеев и Д.Е.Маляров (1940г.).

Типичная конструкция современного многорезонаторного магнетро­на показана на слайд 44.

Катод подогревного типа 2 имеет форму цилиндра и располагается по оси анодного блока. С тор­цов катод закрывается экранами 7, препятствующими утечке электронов из пространства взаимодействия

В цепи накала включены высокочастотные дросселя 9, не пропу­скающие в цепи накала высокочастотную энергию.

Анодный блок 3, по окружности которого расположены резонато­ры 4, выполнен из электролитической меди. В сантиметровом диапазоне волн наиболее широко применяются резонаторы типа "щель-отверстие". Каждая щель эквивалентна емкости, отверстие – индуктивности, а в со­вокупности они представляют колебательный контур. Число резонато­ров всегда четное и бывает от 6 до 40. С укорочением длины волны число резонаторов увеличивается, а их размеры уменьшаются.

Нa анодном блоке расположены радиаторы 10, улучшающие его ох­лаждение. Пространство между катодом и анодным блоком 1 называется пространством взаимодействия. Здесь происходит обмен энергией меж­ду потоком электронов и высокочастотным полем.

Все резонаторы связаны между собой посредством высокочастотных полей и специальных связок 5. Во избежание появления колебаний не­желательных видов резонаторы с помощью связок соединяются в опре­деленном порядке.

Наличие сильной связи между резонаторами позволяет располагать петлю отбора энергии 6 в любом резонаторе.

Устройство вывода энергии должно обеспечить отбор в согласо­ванную нагрузку максимальной мощности и возможно меньше влиять на частоту колебаний магнетрона.

Импульсные магнетроны работают при анодных напряжениях от сотен вольт до десятков киловольт. Анод магнетрона заземляется, а на катод подается высокое напряжение отрицательной полярности.

Анодный блок помещается в магнитное поле, которое создается постоянным магнитом или электромагнитом. Магнитное поле направлено вдоль оси анодного блока (перпендикулярно электрическому полю), по­этому магнетронный генератор называют также прибором со скрещенны­ми полями. На практике встречаются пакетные магнетроны, в которых магнит и магнетрон конструктивно объединены в единую конструкцию. Это позволяет уменьшить расстояние между полюсами и при меньших раз­мерах магнита получить большую индукцию.

Колебательная система магнетрона состоит из связанных между собой резонаторов. Каждый резонатор в отдельности эквивалентен одиноч­ному колебательному контуру (слайд 45).

Так как пучности напряжения стоячих волн сосредоточены в щелях резо­наторов, щель эквивалентна емкости, а пучности токов сосредоточены на стенках, то щель эквивалентна индуктивности.

Связь между соседними резонаторами осуществляется через емкости С_к и взаимоиндуктивность М. Емкость С_к образуется сегментом анодного блока и поверхностью катода. Таким образом, колебательная система магнетрона сложная и в ней могут существовать различные типы колебаний. Каждому типу колебаний соответствует своя резонансная частота и свой фазовый сдвиг между токами в соседних резонаторах. Суммарный сдвиг фаз токов во всех резонаторах должен быть равен целому числу 2 π. Только в этом случае, обойдя все резонаторы по замкнутому кругу, придем к исходному току с его начальной фазой. Сле­довательно, сдвиг фаз колебаний в двух соседних резонаторах можно определить по формуле

φ=2 π n/ N,

где n - целое число, показывающее, сколько волн поля СВЧ укладывается по окружности анодного блока;­

N - количество резонаторов.

Тип колебаний, соответствующий n=N/2, называется колебаниями типа " π" или противофазными. Колебания типа " π" являются наиболее устойчивыми, имеют больший КПД и поэтому они чаще используются на практике. Для получения этих колебаний резонаторы магнетрона соединяются между собой связками через один. Связки - это проводни­ки круглого или прямоугольного сечения, соединяющие друг с другом четные и нечетные сегменты анодного блока. Для соблюдения симметрии связки укладываются с обоих торцов в специальные канавки.

В магнетронах, работающих на длинах волн меньше 3 см, колебания типа " π" получаются путем применения разнорезонаторной колебательной системы.

Некоторые магнетроны могут перестраиваться по частоте. Пере­стройка магнетрона осуществляется изменением объема цилиндрических резонаторов при помощи перемещения стержней (изменяется индуктив­ность) или при помощи ножевых пластин, которые вводятся в щели и изменяют сосредоточенную емкость колебательной системы. Диапазон перестройки составляет (5...20) ⁰/₀ относительно основной частоты.

В Ы В О Д Ы

1. Магнетрон - это мощный генераторный прибор СВЧ, в котором управление электронным потоком осуществляется в двух взаимно пер­пендикулярных полях.

2. Колебательная система магнетрона является сложной и поэтому в магнетроне возможно множество типов колебаний. Наиболее устойчивы­ми являются противофазные колебания и поэтому они чаще приме­няются в магнетронах.

Второй учебный вопрос.

ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ МАГНЕТРОНА

Предположим, что между анодом и катодом магнетрона приложено напряжение U_a, а магнитное поле отсутствует. Тогда на электроны, вылетающие из катода, действует электрическая сила

F_э=-e^*E,

где e- заряд электрона;

E = U_a/d = U_a/(r_a-r_k) - напряженность электрического поля;

r_a,r_k - радиусы анодного блока и катода соответственно.

Под действием этой силы электроны движутся от катода к аноду по радиусу (траектория I, слайд 46).

В анодной цепи протекает ток (рис. 6.3, б). Вся кинетическая энергия электронов выделяется на аноде в виде тепла.

При магнитной индукции В₁ < В_кр на электроны будет действовать и магнитная сила F_m=eVB, направленная перпендикулярно к вектору их скорости. По действием этой силы траектория движения электрона искривляется как показано на рис.6.3, а (траектория 2). Направление действия магнитной силы определяется по правилу левой руки. На рис. 6.3 магнитная индукция направлена за плоскость чертежа. При индукции В₁ величина анодного тока не уменьшается. При увеличении индукции траектория электро­на все более искривляется и при некотором её значении В_кр, называ­емой критической, электроны проходят вблизи анода и возвращаются на катод (траектория 3). Анодный ток при этом резко уменьшается почти до нуля, а при дальнейшем увеличении индукции полностью прекраща­ется. Расчеты показывают, что при В > В_кр траектория электрона представляют собой циклоиду, т.е. кривую, которую описывает точка, находящаяся на окружности круга, катящегося по цилиндрической по­верхности катода. При этом скорость перемещения электрона в продоль­ном направлении (переносная скорость), равная скорости перемещения центра катящегося круга, будет постоянной и равна

.

Угловая скорость вращения круга также постоянна и равна

где m - масса электрона.

Радиус траектории

.

Скорость электронов в различных точках циклоиды различна. На вершине циклоиды она максимальна и равна 2v₀, а у катода равна нулю.

После возвращения электрона на катод он снова уходит от него, описывая все новые и новые эпициклоидные петли. При непрерывном эмиттировании электронов всей поверхностью катода получается поток электронов, вращающийся вокруг катода с постоянной скоростью v₀. Наличие вращающегося заряда является необходимым условием работы магнетрона. Следовательно, магнетрон может работать только при ин­дукции магнитного поля, больше критической.

Величина критической индукции зависит от напряжения источника питания U_a. С увеличением U_a растет и величина критической индук­ции (рис. 6.3)

В_кр2 > В_кр1 при U_a2 > U_a1.

При включении источника анодного питания в резонаторах магне­трона возникают колебания СВЧ. Между щелями создается переменное электрическое поле, которое проникает в пространство взаимодействия. Напряженность этого поля в любой точке направлена по касательной к силовым линиям и её можно разложить на тангенциальную Е_т и радиаль­ную Е_р составляющие. Тангенциальная составляющая всегда параллельна скорости переносного движения v₀ и имеет максимальное значение в плоскости АА₁, проходящей через середину щели взаимодействия (слайд 47).

В плоскостях ББ₁ и ББ₂ максимальное значение имеет радиальная составляющая. В области между плоскостями АА₁ и ББ₁ радиальная составляющая совпадает по направлению с напряженностью постоянного электрического поля, и общая напряженность равна Е_а + Е_р. В области между плоскостями АА₁ и ББ₂ общая напряженность поля равна Е_а - Е_р, так как направления составляющих Е_а и Е_р не совпадают. При колебаниях типа "π" направления составляющих Е_т и Е_р в соседних резонато­рах взаимно противоположны.

Величины составляющих Е_т и Е_р изменяются во времени в соответ­ствии с колебаниями в резонаторах, но точки их максимумов и миниму­мов по окружности анода (при " π " колебаниях) не перемещаются. Т.е. переменное электрическое поле в пространстве взаимодействия имеет форму стоячей волны.

Тангенциальная составляющая переменного поля резонаторов тормозит движение электронов вдоль анодного блока и поэтому пополняет энергией резонаторы.

Пусть электроны группы 1, вылетая из катода, попадают в тормо­зящее поле резонатора 1 и проходят плоскость АА₁ в момент амплитудного значения поля. В этот момент они испытывают максимальное тор­мозящее действие тангенциальной составляющей СВЧ поля резонатора и отдают полю часть своей кинетической энергии. Отдав энергию полю, электроны уже не могут возвратиться на катод. В точке а₁ электроны останавливаются и вновь начинают движение по новой петле циклоиды, вновь получая энергию от электрического и магнитного полей. Если СВЧ поле второго резонатора к этому времени сменится на тормозящее, то электроны вновь отдают энергию полю резонатора и остановятся в точке а₂, еще более удаленной от катода.

Такое движение будет продолжаться до тех пор, пока электрон непопадет на анод. Следовательно, электроны, отдающие полю энергию, совершают несколько витков криволинейной траектории. В конце каждого витка электрон останавливается, т.е. отдает всю энергию, полученную от источника анодного питания СВЧ, полю резонатора. Электроны, отда­ющие энергию полю резонатора, называются электронами благоприятной фазы.

У второго резонатора с тормозящим полем к электронам группы 1 добавляются электроны благоприятной группы 2, у третьего - группы 3 и т.д. Следовательно, против щелей с тормозящим полем заряд накап­ливается и вытягивается от катода к аноду, образуя спицу электронов.

Электроны группы 4, которые при выходе из катода попадают в ускоряющее поле резонатора, отбирают у СВЧ поля энергию. В результа­те чего их скорость возрастает и они после первой же петли попадают на катод. Бомбардируя катод, электроны дополнительно нагревают его и поэтому в ряде случаев магнетроны работают при пониженном напряжении накала и даже без него. В этом случае электроны в пространстве взаимодействия находятся очень короткий промежуток времени и не могутпоглотить из поля большого количества энергии, поэтому магнетроны ра­ботают с высоким КПД (70...80⁰/₀). В результате ускорения электронов полем СВЧ против щелей резонаторов с ускоряющим полем образуется разрежение электронного потока.

Таким образом, под действием тангенциальной составляющей СВЧ поля резонаторов осуществляется автоматическая сортировка электро­нов. Электроны благоприятной фазы пролетают в тормозящем поле резо­наторов и отдают им энергию, поддерживая колебания, а электроны не­благоприятной фазы выходят из пространства взаимодействия, пройдя только одну щель с ускоряющим полем.

Радиальная составляющая СВЧ поля резонаторов способствует образованию плотных сгустков электронов.

Предположим, что в пространство взаимодействия последовательно влетают три электрона №№ 3, 2, I (слайд 48).

Электрон 2, находящийся в середине щели резонатора, не подвергается действию радиальной составляющей поля, так как она здесь равна нулю и его пе­реносная скорость остается неизменной (v₂= v₀= Е_a/В).

Электрон 1 получает дополнительную скорость, так как в этом мес­те радиальная составляющая поля СВЧ совпадает с напряженностью электрического поля источника анодного питания

Электрон 3, наоборот, тормозится радиальной составляющей поля

,

в результате чего электроны 1 и 3 будут приближаться к электро­ну 2, образуя плотную группу.

Таким образом, под действием поля СВЧ резонаторов электроны группируются в плотные сгустки, движущиеся в тормозящем поле и отдающие энергию резонаторам.

Электронные сгустки представляют собой лучи, напоминающие спицы колеса, вращающиеся со скоростью v₀ (слайд 49).

При колебаниях типа "π" число лучей равно половине числа резонаторов. Сгустки электронов, вращаясь вокруг катода, последова­тельно отдают энергию СВЧ полю резонаторов, которая через петлю связи передается в антенно-фидерную систему.

Для поддержания незатухающих колебаний в магнетроне (при колебаниях типа " π ") необходимо, чтобы время пролета электрона от середины щели одного резонатора до середины щели следующего резона­тора было равно половине периода колебаний СВЧ поля:

где n - целое число - 0, I, 2, 3 и т.д.;

T - период СВЧ колебаний.

Это условие называетсяусловием синхронизма. Условие синхро­низма достигается соответствующим выбором величин напряженности электрического поля и магнитной индукции. Напряжение источника питания, при котором выполняется условие синхронизма, называется пороговым. Величина порогового напряжения зависит от магнитной индукции поля. График зависимости анодного напряжения и магнитной индукции показан на слайд 50.

Генерация возможна только при В > В_кр и U_a > U_пор, т.е. внутри области, ограниченной параболой критического режима и порого­вой линией.

В ы в о д ы

1. Колебания в магнетронном генераторе возможны только при магнитной индукции больше критической и при анодном напряжении больше порогового.

2. Принцип действия магнетрона основан на многократном взаимодействии электронного потока с высокочастотным полем резонаторов.

3.Электроны неблагоприятной фазы сразу же, после первого вза­имодействия, возвращаются на катод и отбирают значительную часть энергии от СВЧ поля, поэтому КПД магнетронов составляет(70…80) ⁰/₀.

Третий учебный вопрос.