39. Генераторы и передатчики свч магнетронного типа

Магнетроном называется электровакуумный прибор, в котором управление электронным потоком осуществляется при помощи двух постоянных полей: электрического и магнитного. Конструктивно магнетрон состоит из анодно-резонаторного блока и катода.

В магнетроне осуществляется процесс преобразования энергии постоянного тока источника питания в энергию тока СВЧ. Для этого поток вылетающих из катода электронов формируется в сгустки, которые и осуществляют передачу энергии в анодную колебательную систему.

Р ассмотрим работу магнетрона по этапам.

1. Допустим, что катод накален и эмитирует электроны. К аноду относительно катода приложено высокое постоянное напряжение Е. В пространстве взаимодействия между катодом и анодом имеется электрическое поле, направленное от анода к катоду. В этом случае вылетевшие из катода электроны под действием ускоряющего для них электрического поля летят к аноду, достигают его и, ударяясь о него, отдают ему свою энергию, разогревая его. В цепи анода протекает постоянный анодный ток.

2. Поместим магнетрон в постоянное магнитное поле. Допустим, что высокочастотное поле в резонаторах отсутствует. В этом случае на вылетевшие из катода электроны действуют две силы. Сила электрического поля Е, сообщающая электронам энергию и направляющая их к аноду, и сила магнитного поля.

Двигаясь к аноду, электрон пересекает силовые линии магнитного поля, которое изменяет только траекторию движения электронов, не изменяя их энергии. Так как электрическое и магнитное поля постоянны, однородны и перпендикулярны друг другу, под действием их сил электрон движется по циклоиде. На вершине циклоиды скорость электрона наибольшая. Магнитное поле здесь действует с наибольшей силой и заворачивает электрон в сторону катода.

Направляясь в сторону катода, электрон движется в тормозящем электрическом поле и возвращает ему энергию, полученную при движении к аноду. К поверхности катода электрон подойдет с нулевой скоростью. В дальнейшем процесс повторяется и электрон описывает новые циклоиды.

3. В объемных резонаторах магнетрона всегда имеются флуктуационные электромагнитные колебания.

Рассмотрим движение двух электронов: рабочего и нерабочего. Электрон 1, вылетевший из катода под положительным сегментом анодного блока, под действием сил постоянного электрического и магнитного полей начинает двигаться по циклоиде. Проходя мимо щели первого резонатора, он попадает в тормозящее электрическое поле СВЧ колебаний резонатора и отдает ему часть своей кинетической энергии, усиливая колебания в резонаторе. Так в магнетроне осуществляется процесс преобразования энергии источника постоянного тока в энергию колебаний сверхвысокой частоты. Электроны, которые тормозятся переменным полем СВЧ и отдают ему свою кинетическую энергию, полученную от постоянного поля, называются рабочими. Нерабочими называют те электроны, которые ускоряются переменным полем СВЧ и отбирают от него энергию.

Приторможенный полем СВЧ рабочий электрон движется дальше по циклоиде с уменьшенной скоростью, так как кинетическая энергия его уменьшилась. В конце циклоиды кинетическая энергия электрона уменьшается до нуля. Он останавливается. Потенциальная энергия его уменьшилась. Следовательно, энергия, которую электрон передал полю СВЧ, определяется разностью потенциалов . В точке А скорость электрона равна нулю. На неподвижный электрон магнитное поле не действует. Но постоянное электрическое поле снова сообщает ему скорость и энергию, устремляя его к аноду. Как только электрон начал движение к аноду, магнитное поле снова закручивает его, поворачивая в направлении к катоду по циклоиде. При этом электрон будет проходить уже мимо щели второго резонатора. Но за время перемещения электрона от одной щели к другой полярность зарядов на щели второго резонатора изменилась на противоположную. И электрон снова попадает в тормозящее поле СВЧ, снова отдавая ему свою энергию. Так процесс будет повторяться. С каждой следующей циклоидой этот электрон приближается к аноду, передавая энергию каждому резонатору. Такой электрон является рабочим.

Рассмотрим теперь движение другого электрона (2), который вылетел из катода в тот момент времени, что и рабочий электрон 1, но под отрицательным сегментом анода. Он попадает в ускоряющее поле СВЧ и ускоряется им. Поскольку скорость его увеличилась, магнитное поле закручивает его сильнее, и он, совершив одну циклоиду, ударяется о катод, отдавая ему энергию, отобранную от поля СВЧ, и этим разогревая его. Такой электрон является нерабочим.

Перестройка осуществляется способами: механическим и электронным. Механический способ заключается в том, что изменяется объем резонаторов, например, введением плунжеров в полости резонаторов. Электронную перестройку частоты можно осуществить изменением анодного напряжения. Однако при этом способе резко уменьшается генерируемая мощность.