5.4. Многорезонаторный магнетрон Устройство и принцип действия

У стройство. Многорезонаторный магнетрон - генераторный прибор типа М, устройство которого показано на Рис. 5.11.

Цилиндрический катод 1 эмитирует электроны со всей повер­хности и создает замкнутый электронный поток, который движется с переносной скоростью в кольцевом зазоре 5 между катодом и замедляющей системой – анодом. Замедляющая система магнет­рона представляет собой цепочку объёмных резонаторов 2, разме­щенных в корпусе анодного блока 3 и связанных с кольцевым зазо­ром через щели 4. Этот зазор является пространством взаимодей­ствия электронов с СВЧ полем, энергия которого выводится через выход 6. Резонаторы сегментарно, через один сегмент, соединены между собой кольцевыми проводниками – связками 7, необходи­мость которых будет пояснена ниже.

Принцип действия. Механизм возникновения незатухающих колебаний в магнетроне такой же, как и в любом автогенераторе. Начальные колебания в резонаторах магнетрона возникают бла­годаря флуктуациям электронного потока. Если на одной из про­странственных гармоник этих колебаний будет выполнено усло­вие фазового синхронизма для приборов типа М, то в тормозящих полупериодах электрического поля гармоники начнется группиров­ка электронов в сгустки, их смещение к аноду и передача потен­циальной энергии от электронов СВЧ полю. Рост поля будет да­лее интенсифицировать процесс энергообмена, и при выполнении условий баланса фаз и амплитуд в магнетроне установится ста­ционарный режим автоколебаний, при котором в пространстве вза­имодействия возникают пульсации границ пространственного за­ряда электронов, достигающие анода. Динамический простран­ственный заряд приобретает форму «спиц», вращающихся вокруг катода с постоянной переносной скоростью. Число спиц простран­ственного заряда равно числу тормозящих областей СВЧ поля, в пределах которых электроны, смещаясь от катода к аноду, под­держивают СВЧ колебания за счет потери своей потенциальной энергии.

Баланс фаз. Помимо условия фазового синхронизма, в маг­нетроне, как и в любом автогенераторе, суммарный фазовый сдвиг при обходе всех звеньев колебательной системы должен быть кра­тен 2π. Поэтому если на одно звено замедляющей системы (резо­натор) приходится фазовый сдвиг , то для всей системы имеем условие:

(2.26)

где N - число резонаторов, n — целое число (номер колебаний).

Каждый резонатор замедляющей системы представляет собой полосовой фильтр, поэтому значение заключено в пределах 0 – π. Последнее означает, что число n может принимать только значения:

(5.27)

а в магнетроне может быть только видов колебаний (N четно), из которых каждый имеет свою частоту и картину силовых линий СВЧ поля. Пример одной такой картины для n = 2 и N = 4 показан на Рис. 5.12.

Колебания при называют синфазными, а коле­бания при – противофазными, или π-колеба­ниями. Соотношение (5.26) называют условием цикличности СВЧ поля магнетрона.

Обычно в магнетроне используются π-колебания, так как им соответствуют наименьшее анодное напряжение и наиболь­ший КПД. Однако частота π-колебаний близка к частоте коле­баний соседнего вида, что затрудняет её выделение. Для увели­чения разности частот в магнетроне применяются кольцевые связ­ки 7, о которых сказано выше. Для π-колебаний они соединяют точки с одинаковыми потенциалами и не изменяют картины поля. Для всех остальных видов колебаний по связкам потекут уравни­тельные токи, влияние которых эквивалентно подключению индуктивностей параллельно каждой паре резонаторов. Последнее оз­начает повышение частот нерабочих видов колебаний магнетро­на и их удаление от основной рабочей частоты π-вида. Иногда для этой же цели в магнетронах вместо связок применяют чере­дование резонаторов разных размеров (разнорезонаторные маг­нетроны).

Баланс мощностей. Для обеспечения работы магнетрона требуются определенные значения анодного напряжения и ин­дукции магнитного поля В, обеспечивающие синхронное эпициклоидальное движение электронов в спицах объёмного заряда и необходимый режим энергообмена между электронами и СВЧ полем.

Условие синхронного вращения спиц с изменением фазы СВЧ колебаний заключается в том, чтобы электроны оказывались в тормозящем поле вблизи каждого резонатора. Для л-колебаний это означает, что время движения спицы между двумя соседними резонаторами

(5.28)

где р = 0,1,2,3,.., Т — период СВЧ колебаний. Число р определяет угловую скорость вращения спиц, максимальное значение кото­рой достигается при р = 0, когда , т.е. .

Введем параметр k, равный числу периодов СВЧ колебаний, в течение которых электрон, пройдя мимо всех резонаторов, возвраща­ется к исходной точке. Тогда время , выраженное в долях периода:

(5.29)

что определяет k и соотношениями:

(5.30)

где с – скорость света, l – длина волны π-колебаний в магнетроне.

Для обеспечения заданной угловой скорости вращения элек­трон, находящийся в спице у поверхности анода , должен об­ладать запасом кинетической энергии тангенциального движения

(5.31)

Поскольку этот запас кинетической энергии электрон приоб­ретает за счет энергии постоянного электрического поля , то соотношение (5.31) определяет минимальное значение анодного на­пряжения, необходимого для синхронного вращения спиц

(5.32)

Величина называется потенциалом синхронизации.

Приблизившись к поверхности анода и отдав СВЧ полю свою потенциальную энергию, электрон должен быть удален из простран­ства взаимодействия, поскольку в противном случае он отстанет от спицы и начнет отбирать энергию у СВЧ поля. Для того, чтобы электрон осел на аноде, кинетическая энергия его движения в ра­диальном направлении вблизи анода должна быть больше нуля. Следовательно, постоянное электрическое поле должно передать электрону дополнительную энергию, направленную на работу про­тив магнитной силы Лоренца , действующей на элект­рон в радиальном направлении

(5.33)

Последнее означает, что анодное напряжение должно быть выше :

(5.34)

Величина называется пороговым потенциалом. Условие (5.34) определяет нижнюю границу , но вместе с тем существует и верхняя граница , определяемая критическим потенциалом (5.11). При электроны попадают на анод, не описывая эпициклоидальных траекторий и не взаимо­действуют с СВЧ полем. Поэтому СВЧ колебания, даже если они и возникли, не поддерживаются за счет энергии электронов и за­тухают.

Все сказанное выше определяет область рабочих напряже­ний :

(5.35)

где