Главная  Электронные квантовые приборы СВЧ 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [ 14 ] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30


Рис. 5.9.

Образование спиц в магнетроне

стает не более чем на четверть периода), в результате чего скорости электронного потока и волны выравниваются. Центры спип при нарушении условия синхронизма несколько смещаются в сторону отставания (или опережения при Ve>Vф) относительно плоскости максимального тормозящего поля. 1аким образом, в отличие от приборов типа О, электромагнитная волна захватывает электронный поток и заставляет его перемещаться синхронно. Это обусловливает возможность работы магнетрона в некотором диапазоне анодных напряжений при фиксированном магнитном поле.

В заключение сравним процессы энергообмена в приборах типов ОиМ. Ранее было показано, что в приборах типа О электроны отдают высокочастотному электромагнитному полю свою кинетическую энергию и в результате взаимодействия тормозятся. Поскольку электроны входят в пространство взаимодействия в различные .моменты времени, т. е. при различных фазах высокочастотного поля, энергия электронов изменяется неодинаково. На выходе из пространства взаимодействия всегда имеются электроны, отдавшие лишь малую часть своей энергии и потому обладающие значительной скоростью.

При оседании электронов на коллектор их кинетическая энергия превращается в тепловую и рассеивается. Электронный кпд прибора определяется соотношением между долей кинетической энергии, перешедшей в энергию свч поля, и полной кинетической энергией, которой электрон обладал при входе в пространство взаимодействия. В силу сказанного выше значительная часть полной энергии превращается на коллекторе в тепловую, и электронный кпд приборов типа О обычно далек от единицы.

В приборах типа М энергия электронов представлена суммой кинетической энергии, определяемой скоростью движения, и потенциальной энергии, определяемой разностью потенциалов между анодом и местом, где электрон находится в данный момент. В процессе взаимодействия средняя скороегь и кинетическая энергия электрона не меняются, причем эта энергия превращается на ано де (или на коллекторе) в тепловую. Высокочастотному полю передается только потенциальная энергия.

Электронный кпд прибора типа М равен отношению потенциальной энергии электрона, перешедший в энергию высокочастотного поля, к полной потенциальной энергии, которой электрон обла-

дал при выходе из катода. Это отношение может приближаться к единице, так как величина полной потенциальной энергии, определяемой потенциалом анода, может быть сделана большой по сравнению с кинетической энергией электрона, требуемой для обеспечения синхронного движения электронного потока и волны.

Таким образом, приборы типа М характеризуются высоким кпд, что благоприятно для получения больших выходных мощностей.

§ 5.6. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КОНСТРУКЦИИ МАГНЕТРОНОВ

Рабочими характеристиками магнетрона (рис. 5.10) называются характеристики, определяющие взаимную связь между выходной мощностью Рвых, кпд ц, анодным напряжением Uo. анодным током /о и магнитной индукцией В при согласованной внешней нагрузке. Напряжение обычно откладывают по оси ординат, а ток - по оси абсцисс.

Рассмотрим зависимость анодного напряжения от тока при постоянной магнитной индукции. При малых анодных напряжениях средняя скорость электронов мала, условия синхронизма не выполняются и автоколебаний нет. Почти все вылетевшие электроны возвращаются на катод, и анодный ток практически равен нулю. При достаточной величине анодного напряжения возникают автоколебания, электрическое поле которых вызывает перемещение электронов к аноду, т. е. анодный ток. Дальнейшее увеличение анодного напряжения резко увеличивает анодный ток. Увеличение магнитной индукции смещает характеристику в область более высоких анодных напряжений в соответствии с условием синхронизма (5.16).

Линии постоянной индукции ограничены областями очень малых и очень больших токов. В области малых токов работа неустойчива, наблюдаются скачкообразное изменение частоты и генерация паразитных видов колебаний. В области больших токов возникают искрения на поверхности катода, вызывающие его постепенное разрушение.

Рассмотрим теперь характеристики при постоянных выходной мощности и кпд. Полная энергия электрона Uo на пути от катода к аноду составляет Wo=eUo. Определим ту часть Wa полной энергии, которая рассеивается на аноде. Электроны попадают на анод в основном на вершине петли (рис. 5.8). Кинетическая энергия электрона в этот момент равна его потенциальной энергии в точке С, поэтому

= е -2R.

Электронный кпд Т]е

Подставим в последнее выражение значения энергии и с учетом (5.7) и (5.13) получим

l. = l-(B,p/B) (5.17)

- 93 -



Отсюда следует, что увеличение магнитной индукции приводит к росту электронного кпд. Это объясняется уменьшением в соответствии с ф-лой (5.7) радиуса R, катящейся окружности и соответственным уменьшением энергии, запасаемой электроном на последней петле и отдаваемой аноду.

Полный кпд

т] = т],т], (5.18)

где т] - кпд колебательной системы магнетрона, учитывающий потери в ней.

Кпд колебательной системы практически не зависит от режима, и поэтому его влияние на полный и на электронный кпд одинаково. Кривые постоянного кпд рис. 5.10 хотя и имеют сложный харак-



е /е 7u 32 1,4

Рис 5.10. Рабочие характеристики Рис. 5.11. Пакетированный

импульсного 8-резонаторного маг- магнетрон сантиметрового нетрона 10-см диапазона длин диапазона:

волн ; гнезда для подключения

катодного напряжения и напряжения иакала; 2 - анодный блок с радиатором; 3 -постоянный магнит; 4 - фланец выходного в0.1 повода

тер, однако в целом подтверждают сформулированную.выше зависимость от магнитной индукции.

Поскольку выходная мощность магнетрона

/в х = т1ад. (5.19)

то при небольших пределах изменения кпд кривые постоянной мощности подобны гиперболам, что хорошо видно на рис. 5.10.

Особенностью .магнетронных генераторов является наличие электронного смещения частоты. В среднем можно считать, что крутизна электронной перестройки составляет от десятых долей до единиц мегагерц на один ампер изменения тока. Причиной электронного смещения частоты является влияние пространственного заряда на структуру свч поля. Как отмечалось в § 5.5, при некотором на-

Грушении усчовий синхронизма вследствие изменения анодного напряжения (а, значит, и тока) спицы смещаются относительно максимумов тормозящего поля волны. Этот фазовый сдвиг приводит к

I появлению реактивной мощности взаимодействия и, следовательно, к смещению частоты.

Практически электронная перестройка частоты используется только в маломощных магнетронах. В мощных приборах применяют механические методы перестройки, такие, как введение стержней в полости резонаторов (индуктивная настройка) или перемещение колец, расположенных параллельно торцевым поверхностям анодного блока (емкостная настройка). Механические методы позволяют получить диапазон настройки до 10-15%.

Магнитные поля, необходимые для работы магнетронов, создаются постоянными магнитами или электромагнитами. Чем короче длина волны, тем большая требуется величина магнитной индукции. В сантиметровом диапазоне она составляет 0,14-0,8 Т, в дециметровом диапазоне - 0,054-i0,2 Т. Рассмотрим рис. 5.11. Для охлаждения анодного блока предусмотрен радиатор, обдуваемый воздухом. Водяное охлаждение применяется только в наиболее мощных приборах.

Магнетроны с длиной волны более 3 см обычно имеют петлевую связь с передающей линией (рис. 5.2). В магнетронах для более коротких волн, размеры анодного блока которых весьма малы, используют связь с помощью щели, возбуждающей выходной волновод через четвертьволновый трансформатор.

В настоящее время импульсные магнетроны перекрывают мнл-лиметровый, сантиметровый и дециметровый диапазоны длин волн. Импульсные выходные мощности составляют от 100 Вт-ЮкВт в коротковолновой части миллиметрового диапазона до 1-8 МВт в дециметровом диапазоне. Магнетроны непрерывного режима разработаны в сантиметровом и дециметровом диапазонах с выходными [мощностями от 1-100 Вт до 100 Вт- 100кВт соответственно.

Основной областью применения импульсных магнетронов явля-\ ется радиолокация, где они служат в качестве передатчиков. Магнетроны непрерывного режима чаще всего используются для свч нагрева различных веществ.

I § 5.7. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ НА ЛБВ ТИПА М

Перейдем к рассмотрению приборов типа М с широкополосными нерезонансными замедляющими системами. Рассмотрим работу ЛБВ типа М (рис. 5.12). Электроны, эмиттированные катодом 9, под действием электрического поля фокусирующего электрода / и внешнего магнитного поля В, перпендикулярного к плоскости чертежа, двигаются по циклоиде н на вершине первой петли вводятся в пространство взаимодействия, образованное замедляющей системой 4 и основанием (ложным катодом) 8. Огносительно катода ос-поваппе находится под отрицательным пли нулевым потенциалом, а замед.. .яющая сис1ема и коллектор в - под положительным. Без



свч полей в пространстве взаимодействия электроны образуют почти прямолинейный плоский пучок 7, оседающий на коллектор. Если посредством согласованного ввода энергии 2 в замедляющей системе возбуждается волна, скорость распространения которой совпадает со средней скоростью перемещения электронов, пучок отдает энергию свч полю и амплитуда волны возрастает. Передача

3 h к 5

Рис. 5.12. Устройство ЛБВ типа М плоской конструкции:

; - фокусирующий электрод; 2 - ввод 4 - замедля-энергни; 6 - >1й пучок;


усиленного сигнала в нагрузку осуществляется согласованным выводом 5. Поскольку электроны отдают волне свою потенциальную энергию, они приближаются к замедляющей системе, находящейся под положительным потенциалом, и частично оседают на нее. Для повышения устойчивости усиления в первой половине замедляющей системы помещают локальный поглотитель 3.

Рассмотрим условия, при которых формируется плоский ленточный пучок. Фокусирующий электрод, находящийся под положительным потенциалом, и катод образуют плоский диод, напряженность электростатического поля в котором £д. Скорость электрона на вершине циклоиды 1)д вдвое больше средней скорости и составляет

1;д = 2£д/В.

Достигнув вершины циклоиды, электрон покидает область пушки. В пространстве взаимодействия электрон движется прямолинейно со скоростью

V, = ад

где Ей - напряженность электростатического поля в пространстве взаимодействия.

В случае прямолинейного движения скорости и Ve должны быть равны, откуда следует, что напряженность электростатического поля в пространстве взаимодействия должна превышать вдвое напряженность поля в области пушки:

£o = 2f . (5.20)

Рассмотрим процессы, протекающие в пространстве взаимодействия (рис. 5.13). Электрическое свч поле имеет как продольную Ег. так и поперечную Еу, составляющие. Волна распространяется вдоль оси Z, и синхронно с ней движется электронный поток. Под воздействием поперечной составляющей Е^ электроны начинают фокусироваться в области максимального тормозящего поля Ег подобно тому, как в магнетронах. Электроны, находящиеся в тормозящей фазе, отдают свою потенциальную энергию и приближаются к замедляющей системе. Электроны в ускоряющей фазе, наоборот, уда-

- 96 -


Рнс. 5.13.

Деформация плоского электронного пучка

вяются от замедляющей си-1темы. Примерные траекто-1)ии электронов показаны пошными линиями. Поскольку электроны, эиближающиеся к замедляющей системе, попадают в более аильное поле, чем удаляющиеся от нее, в целом пучок передает полю

больше энергии, чем отбирает от него. Кроме того, как видно из ис. 5.13, электроны в области ускоряющей фазы постепенно рас-асываются. Пучок приобретает волнистую форму с утолщениями областях тормозящей фазы. Амплитуда волн пучка возрастает ОЛЬ его длины.

§ 5.8. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛБВ ТИПА Л\

. Для определения усиления ЛБВ типа М необходимо составить 1исперсионное уравнение относительно постоянных распространения волн в замедляющей системе с электронным пучком. Методи-)са получения дисперсионного уравнения остается такой же, как и 1я ЛБВ типа О. Однако если в приборах типа О можно ограничиться рассмотрением одномерной задачи (электроны двигаются -олько в продольном направлении), то в приборах со скрещенными ТОЛЯМИ необходимо решать двумерную задачу.

Обозначим через Го постоянную распространения невозмущен-[юй, или холодной волны, а через Г - постоянную распростране-. ния возмущенных волн в системе в присутствии электронного пуч-Постоянные распространения обычно выражают через безраз-лерные параметры Ь, Ь н D, которые характеризуют отличие посто-рнных Го и Г от постоянной Pe=bi/Ve - парамстра распространения 1ектронного пучка:

D=IScJEo, (5.22)

Рде /о - постоянный ток пучка; /?св - сопротивление связи, опре-;еляемое в плоскости пучка; D - параметр усиления.

Дисперсионное уравнение, если пренебречь влиянием простран-гвенного заряда и распределенными потерями, имеет вид

6-fibs-1=0. (5.23)

Уравнение квадратное, т. е. процесс вазимодействия описывается умя парциальными волнами. Полное поле в любом сечении z ампы определяется суммой этих волн:

E{z,f) = Е, (0) е - + Ег (0) е *- , (5.24)

[вум: шамп

к



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [ 14 ] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30