Материал: 1210
26
сти света, то и фазовая скорость волн, бегущих вдоль периодической электромагнитной структуры, должна быть во столько же раз меньше скорости света. В противном случае нельзя говорить о возможности выполнения условия синхронизма. Таким образом, периодические структуры должны обеспечивать замедление фазовой скорости распространяющихся вдоль них электромагнитных волн по сравнению со скоростью волн в свободном пространстве. Поэтому такие структуры называются замедляющими.
Кроме требования обеспечения определенного замедления фазовой скорости электромагнитных волн, к замедляющим структурам предъявляют следующие требования:
наличие значительной продольной составляющей электрического поля рассеяния, необходимой для интенсивного взаимодействия с электронным пучком;
фазовая скорость в зависимости от назначения генератора должна слабо или, наоборот, резко зависеть от частоты (слабая или сильная дисперсия), чтобы условия синхронизма, а значит, и взаимодействие с электронами сохранялось в широкой или, наоборот, только в узкой полосе частот;
должна быть возможность обеспечения хорошего теплоотвода к внешним стенкам, так как происходит сильный нагрев замедляющих структур в процессе взаимодействия электронов с электромагнитным полем;
должны быть малыми собственные потери в замедляющей структуре; необходима достаточная простота конструкции.
Рисунок 1.8 - Конструкции замедляющих электромагнитных структур
В простейшей замедляющей структуре типа “спираль” (рис. 1.8, а)
обычно спираль помещена в проводящем цилиндре, а электронный пучок пропущен внутри спирали. Электромагнитная волна распространяется в продольном направлении по виткам спирали приблизительно со скоростью света. Соответственно составляющая ее скорости вдоль оси спирали много меньше скорости света и степень замедления d определяется соотношением
d L
h ,
27
где L - длина витка спирали, h - шаг спирали, т.е. линейное расстояние между двумя витками спирали.
Большим достоинством замедляющей системы типа “спираль” является ее конструктивная простота, а недостатком - сложность теплоотвода, так как спираль располагается в пространстве цилиндра, не касаясь стенок.
Замедляющая структура “гребенка”, или лопаточная (рис. 1.8, б), кре-
пится непосредственно на стенках прибора СВЧ, что существенно облегчает решение задачи теплоотвода. Естественно, что конструктивно реализация такой замедляющей системы сложнее, чем “спирали”.
Конструктивное исполнение широко используемой замедляющей структуры типа “щель – отверстие”, или резонаторной (рис. 1.8, в), еще сложнее, чем лопаточной системы, но у нее имеются достоинства, связанные с использованием системы высокодобротных объемных резонаторов.
Замедляющая структура “палец в палец”, или “встречные штыри”
(рис. 1.8, г), по своим характеристикам аналогична лопаточной системе. Разнорезонаторная замедляющая система (рис. 1.8, д) в общем случае
представляет собой некоторую линию передачи, которая может быть свернута в замкнутое кольцо. В этом случае она превращается в вибратор, резонирующий на определенные дискретные резонансные частоты. В замедляющей системе, свернутой в замкнутое кольцо и используемой в качестве колебательной системы, имеют место уже не бегущие, а стоячие электромагнитные волны. Однако при рассмотрении взаимодействия электронов с электромагнитным полем свернутой в кольцо системы можно рассматривать воздействие на них не стоячей, а бегущей волны.
Принцип работы магнетрона. Использование изложенных принципов и круговой замедляющей системы привело к созданию магнетронов.
Многорезонаторный магнетрон используют только в диапазонах СВЧ (сантиметровом, миллиметровом и частично дециметровом). Магнетроны конструируют в основном для работы в импульсном режиме в широком диапазоне мощностей (от десятков до тысяч киловатт в импульсе). Они имеют достаточно высокий КПД, достигающий 40—70 %. Среди других известных типов генераторов магнетрон имеет одно из лучших значений отношения мощности к массе и поэтому очень удобен для использования в самолетном радиооборудовании.
Магнетрон является основным типом генератора мощных колебаний сантиметрового диапазона и всегда используется только как автогенератор.
К недостаткам магнетрона следует отнести сравнительно низкую стабильность частоты, малый диапазон электронной перестройки частоты и относительно малую надежность.
Магнетрон (рис. 1.9) имеет подогревной катод К в виде цилиндра, который окружен медным анодным блоком А. По окружности анодного блока расположена свернутая в кольцо замедляющая система типа “щель — отверстие” с резонаторами Р. Число резонаторов N всегда четное (причина будет объяснена ниже) и в зависимости от конструкции может быть N = 8 - 40. В
28
одном из резонаторов анодного блока располагается петля связи ПС, с помощью которой снимается высокочастотная мощность, вырабатываемая магнетроном. Между катодом и анодным блоком образуется пространство взаимодействия между электронным потоком, эмиттируемым катодом, и электромагнитной волной, возбуждаемой в полых резонаторах. Корпус магнетрона размещен в постоянном магните, который создает постоянное магнитное поле, направленное вдоль оси катода. Отдельный резонатор анодного блока можно рассматривать как замкнутую на конце линию, которая возбуждается на основной частоте, когда вдоль резонатора укладывается четверть волны
4 (или гармоники 3
4 , 5
4 и т. д.).
Резонаторная система магнетрона обладает высокой добротностью, достигающей значений 700—1500. При подключении нагрузки добротность падает до сотен единиц. Отдельные резонаторы анодного блока связаны сложной электромагнитной связью: кондуктивно сегментами анодного блока; общим магнитным потоком, охватывающим смежные резонаторы; общим электрическим полем.
Для того чтобы понять принцип работы магнетрона, рассмотрим особенности движения электронного потока в его пространстве взаимодействия.
На электрон, находящийся в электрическом поле, действует сила F Э eE ,
Рисунок 1.9 - Конструкция магнетрона
где е - заряд электрона; E - напряженность электрического поля: черта над буквами означает вектор; знак минус обусловлен отрицательным зарядом электрона.
На электрон, движущийся со скоростью V в магнитном поле с индук-
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
цией |
B , действует сила |
F M |
VB |
, где квадратные скобки означают век- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
торное произведение.
Абсолютное значение векторного произведения может быть определено как FM eVB sin , где - угол между векторами скорости V магнитной ин-
дукции B .
Направление вектора VB совпадает с направлением винта при враще-
нии от вектора V к вектору B . Сила F M имеет противоположное направление, так как знак заряда отрицательный.
Рассмотрим три возможных случая движения электрона в магнитном
поле.
29
1. Векторы V и B - параллельны, т. е. = 0° или = 180°. В этом слу-
чае F M = 0, т. е. магнитная сила на электрон не действует, или, другими словами, магнитное поле не оказывает влияния на движение электрона.
2. Векторы V и B перпендикулярны, т. е. = 90°, тогда F M eVB . Направление силы F M перпендикулярно к плоскости, в которой распо-
ложены векторы V и B . Эта сила в любой момент времени перпендикулярна
к скорости V , поэтому на скорость не влияет, но изменяет направление движения электронов. Электрон движется по окружности, радиус r которой ра-
вен, исходя из условия равенства силы F M , центробежной силе eVB mV 2
r , где m - масса электрона; r mV 
eB .
Следовательно, радиус окружности, которую описывает электрон под действием перпендикулярного магнитного поля, обратно пропорционален магнитной индукции. Скорость движения электрона на окружности
V |
2 r |
; |
|
2 |
|
eB |
, |
T 2 r V 2 m eB , |
|
T |
T |
m |
|||||||
|
|
|
|
|
|
где Т - период обращения электрона; круговая частота называемая циклотронной, прямо пропорциональна магнитной индукции В.
3. Векторы V и B направлены произвольно. Разложим вектор скорости
V на две составляющие: V 1 - параллельную и V 2 - перпендикулярную по отношению к направлению вектора магнитного поля. При этом электрон, движущийся до окружности, будет, кроме того, перемещаться вдоль направления
V 1 . В результате движение электрона происходит по винтовой линии.
Во всех трех рассмотренных случаях скорость движения электрона не изменяется, следовательно, не изменяется и кинетическая энергия электрона.
В общем случае на электрон, находящийся одновременно в электрическом и магнитном полях, действует сила Лоренца
F ma F Э F M e E VB , где a - ускорение электрона. |
|
|
|
Решение этого уравнения в декартовой системе координат (вектор B
совпадает с осью OZ, вектор E направлен навстречу оси OX) имеет следующий вид:
|
d 2 y |
|
|
dx |
|
|
d 2 x |
|
dy |
|
|
||
m |
|
|
e |
E |
|
B |
, m |
|
|
e |
|
B. |
(1.9) |
dt |
2 |
dt |
dt |
2 |
dt |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Решая полученные уравнения (1.9) относительно x и y для нулевых начальных условий (V 0 0) получим:
X r 1 cost ,Y r t sin t ,
30
где r mE
eB 2 , e
m B - угловая скорость по окружности (цикло-
тронная частота).
Это уравнение циклоиды, записанное в параметрической форме с радиусом циклоиды r .
Напомним, что циклоида - это кривая, по которой перемещается точка круга радиуса r без скольжения с угловой скоростью (рис. 1.10). Средняя переносная скорость электрона вдоль вертикальной оси равна скорости перемещения центра круга, образующего циклоидальную кривую, т. е.
V r mE eB E . eB2 m B
Теперь рассмотрим процес- |
|
|
сы, происходящие в магне- |
|
|
троне (рис. 1.11). Условно |
|
|
весь процесс возникновения |
Рисунок 1.10. - График циклоиды |
|
высокочастотных автоколе- |
||
|
баний в магнетроне, начиная от момента подачи на него напряжения питания, разобьем на три этапа.
Чисто конструктивно рис. 1.11 представляет собой условное изображение обычного вакуумного диода, у которого имеются катод К и анодный блок А. Поэтому, рассматривая принцип работы магнетрона, в качестве первого этапа процесса возникновения высокочастотных колебаний в магнетроне возьмем процесс перехода устройства, показанного на рис. 1.11, из режима обычного диода в режим прибора СВЧ.
Пусть в начальный момент времени магнитная индукция B 0 и FM 0 , то-
гда электрон движется прямолинейно от катода к аноду, как в обычном вакуумном диоде (траектория 1). По мере роста магнитной индукции траектория движения электрона все более искривляется (линия 2) и при некотором значении В электрон, не дойдя до анода, возвращается на катод—анодный ток обрывается (траектория 3). При очень сильной магнитной индукции траектория становится траекторией 4.
Явление прекращения анодного тока, протекающего в плоском диоде, находящемся в скрещенных полях, при определенном значении магнитной индукции B BКР называется магнетронным эффектом. Значение BКР
называется критической магнитной индукцией. С момента времени, когда становится B BКР , устройство, показанное на рис. 12.11, превращается из
обычного диода в магнетрон.
Критической магнитной индукции, как видно из рис. 1.11, соответствует диаметр циклоиды, равный расстоянию d между катодом и анодом, т. е.
2r d .
Используя соотношение для радиуса циклоиды, запишем