|, образуя
замкнутый поток вокруг катода.Магнетрон - электровакуумный генератор электромагнитных колебаний СВЧ,
основанный на взаимодействии электронов, движущихся в магн. поле, с
возбуждаемыми ими электромагнитными полями. Основу конструкции магнетрона
составляет коаксиальный цилиндрический диод с внутренним электродом - катодом
в однородном магнитостатическом поле, направленном вдоль его оси. Эмитированные
катодом электроны совершают дрейфовое движение поперёк скрещенных статических
электрического Е0 и магнитного Н0 полей
( |, образуя
замкнутый поток вокруг катода.
Анод многорезонаторного
М.- массивный полый цилиндр, во внутр. части к-рого вырезаны объёмные резонаторы
со щелями, выходящими на поверхность (рис. 1). Последовательность резонаторов
образует периодич. структуру на поверхности анода и обусловливает азимутальное
замедление вращающихся эл--магн. волн, для к-рых всё пространство М. является
единым высокодобротным объёмным резонатором. Энергообмен электронного потока
с эл--магн. полями в М. обусловлен их непрерывным взаимодействием в условиях
синхронизма ср. скорости электронов с фазовой скоростью одной из мод единого
резонатора (рабочей модой, см. ниже).
Рис. 1. Схематическое изображение
многорезонаторного магнетрона: а - общий вид; б - сечение плоскостью,
перпендикулярной H0.
Формирование и свойства
электронного потока. В предгенерац. период в невозмущённом СВЧ-полями потоке
азимутальное и радиальное перемещения электронов, в соотв. с интегралами угл.
момента и анергии, характеризуются скоростями
где г, 
-
полярные координаты, t - время, е, m - заряд и масса электрона,
- циклотронная частота r,к - радиус катода, 
-
потенциал электростатич. поля E0 (на катоде 
,
на аноде 
).
При заданном анодном напряжении U и малых Н0 электроны
попадают на анод. С ростом H0, как видно из (
),
увеличивается доля энергии в азимутальном движении, а радиальная скорость уменьшается.
При век-ром критич. H0=Hкр (U задано)
или при U=Uкp (H0 задано)
траектории электронов только
касаются поверхности анода, r=rа. При 
(или при 
)
происходит т. н. отсечка анодного тока - вершины траекторий оказываются на нек-ром
расстоянии от анода (магн. изоляция диода). С уменьшением U (с ростом
Н0)поток всё ближе примыкает к катоду, тем самым происходит
углубление магнитной изоляции диода. В пренебрежении собств. полями электронного
облака движение отдельных частиц представляет собой суперпозицию вращения с
частотой wс и дрейфа в скрещенных полях, траектории - эпициклоиды.
При интенсивной электронной эмиссии и значит. объёмном заряде в потоке движение
частиц несколько трансформируется.
В условиях магн. изоляции
диода поток электронов, замыкающийся вокруг катода, образует электронный резонатор
с дискретным спектром собств. колебаний типа вращающихся волн с частотами
, где te - ср. время дрейфа вокруг катода, в - целое число.
Под действием разл. флуктуации (дробовой
шум и др.) н электронном потоке развиваются шумовые колебания, в спектре к-рых
в окрестности
обнаруживаются максимумы интенсивности. Полная энергия шумовых колебаний в предгенерац.
периоде 
от энергии потока. Столь высокий уровень шумовых колебаний может быть связан
с развитием разл. волновых неустойчивостей, в т. ч. диокотронной, обусловленной
наличием радиального градиента угловой скорости электронов.
Электродинамическая
система магнетрона. Для возбуждения генерации необходим синхронизм ср. азимутальной
скорости электронов и фазовой скорости возбуждаемых ими волн. Существуют различные
периодич. системы замедления вращающихся волн у резонансных типов колебании
М.: цепочки связанных резонаторов (рис. 1), гребенчатые структуры и др. (см.
Замедляющая система ).Но независимо от конкретного типа резонансной структуры
анода её осн. функция состоит в создании СВЧ-полей заданной частоты и конфигурации,
способных взаимодействовать с электронным потоком.
Система N резонаторов
М. имеет N основных видов колебаний,
определяемых сдвигом фаз колебаний 
внутри соседних элементов структуры (n - целое число). При чётном N невырожденными являются колебания с n=0 (синфазные) и с n=N/2
(
-вид,
противофазные). В этом случае образуются стоячие волны поля. Для остальных n поля имеют вид волн, бегущих по внутр. поверхности анода, а сами колебания
являются двукратно вырожденными (одинаковой собств. частотой обладают, напр.,
колебания с 
). Для простейших анодов зависимость длины волны колебаний
от n имеет вид
где коэф. 
определяется степенью связи элементов структуры, напр. близостью катода к аноду
в масштабе периода структуры,
-
длина волны резонансных колебаний отд. резонаторов структуры.
Рис. 2. Структура электрического
поля основной гармоники замедленной полны (колебания
-вида).
Рис. 3. Виды резонаторных
систем магнетрона (а - равно-резонаторная без связок, б - со связками,
в - разнорсзонатор-ная) и графики разделения их резонансных частот
/'
, где
-частота
колебаний для л-вида, 
- частота, соответствующая m-му колебанию. В 18-резонаторном магнетроне п = 9 является колебанием 
-вида.
Самым высокочастотным является
p-вид, к-рый обычно используется в качестве рабочего колебания (рис. 2). При
больших N соседние колебания имеют близкие
собств. частоты и фазовые скорости вращающихся волн. В этом случае возможны
возбуждения "паразитных" видов колебаний и перескоки с одного вида
на другой. Поэтому для устойчивой работы на колебаниях я-вида часто разрежают
примыкающий участок спектра, обычно с помощью двух кольцевых связок, соединяющих
соответственно чётные и нечётные элементы системы (рис. 3).
Вывод энергии из М. обычно
осуществляется с помощью коаксиальных линий и радиоволноводов через петли связи
или щели (рис. 4). При этом нагруженная добротность резонатора 
. Кои струкция и параметры электродинамич. системы М. варьируются в зависимости
от требований к выходным характеристикам прибора (см. ниже).
Рис. 4. Многорезонаторный
магнетрон простейшей конструкции: а -общий вид, б - разрез (1 - анодный блок с 8 резонаторами, 2 - катод, 3 - связка, 4 - петля связи, 5 - стержень для присоединения к коаксиальной линии).
Взаимодействие электронов
с полями в М. Характеристики М. При включении анодного напряжения шумовые колебания
в электронном потоке связываются с колебаниями электродинамич. системы М. Сначала
эта связь мала, но как только напряжение U достигнет порогового значения
обеспечивающего синхронизм
ср. скорости электронов (и вращающихся собств. волн потока) со скоростью распространения
волны в резонаторной системе М., происходит быстрая раскачка колебаний до уровня,
определяемого нелинейными механизмами. Характерное время установления колебаний
в М. 20-30 периодов колебании.
В основе процессов взаимодействия
электронов с СВЧ-полями рабочего вида колебаний лежит явление фазовой группировки.
Электроны помимо вращательного циклотронного движения и синхронного с волной
дрейфа в статических электрич. и магн. полях
совершают стационарное дрейфовое перемещение перпендикулярно неоднородному электрич.
полю волны 
(рис. 2) с дрейфовой скоростью
Такое перемещение происходит
но направлению к аноду в областях благоприятных фаз (при этом траектории "захваченных"
волной электронов сближаются по пути к аноду, образуя т. н. "спицы"
пространств. заряда, рис. 1, б) и к катоду в областях неблагоприятных фаз. В
последнем случае электроны попадают на катод в конце первой же петли траектории
и их роль в энергообмене незначительна. Электроны, дрейфующие к аноду, попадают
на анод, отдав СВЧ-полю свою потенциальную энергию в количестве, определяемом
разностью потенциала анода U и потенциала на вершине первой петли траектории.
Поэтому эффективность преобразования энергии электронов в энергию излучения
оказывается тем выше, чем глубже магн. изоляция, т. е. чем выше Uкp по сравнению с пороговым 
Приближённо ''кпд
М. оценивается по ф-ле
С увеличением напряжённости
поля H0 и пропорционально ему Е0 кпд и выходная мощность
Р растут. Однако на практике такое нарастание ограничивается либо электрич.
прочностью конструкции, либо перегревом электродов из-за электронной бомбардировки.
Можно поднимать 
,
увеличивая Н0 и сохраняя умеренным поле Е0, однако тогда с ростом замедления уменьшаются размеры прибора, ухудшаются
условия фазовой группировки (захвата электронов волной в окрестности катода);
при этом быстро падает генерируемая мощность. Оптимизация параметров М. с точки
зрения достижения макс. мощности излучения показывает, что среди генераторов
сантиметрового диапазона длин волн (и прилегающих участков соседних диапазонов)
М. является одним из наиб. эффективных; его полный кпд составляет 35- 70%.
По мере роста анодного
напряжения сверх порогового (H0 фиксировано) анодный ток и
мощность Р сначала быстро нарастают - почти пропорционально этому превышению;
кпд при этом изменяется слабо (рис. 5), улучшаются условия фазовой группировки
и соответственно токопрохождения на анод. Одновременно увеличивается вклад в
ток со стороны электронов вторичной электронной эмиссии с катода, вызванной
электронами неблагоприятных фаз. В рабочих режимах электроны вторичной эмиссии
могут составлять подавляющую часть тока Iа. При больших превышениях
анодного напряжения U над пороговым 
мощность Р начинает быстро снижаться из-за ухудшения фазовой группировки
вследствие нарушения синхронизма потока с волной рабочего вида колебаний.
Рис. 5. Рабочая характеристика
импульсного магнетрона (l= 10 см); заштрихованы области отсутствии генсрации;
сплошные линии-зависимости от анодного тока Iа выходной мощности
Р и магнитного поля Н, пунктирные-
(без учёта подогрева катода).
В длинноволновой части
сантиметрового диапазона М. позволяют в режиме микросекундных импульсов получать
мощности
Вт, в непрерывном режиме - 103 Вт. С укорочением 
мощности снижаются
(и чуть быстрее). В диапазонах коротких миллиметровых волн и ниже М. утрачивает
свою конкурентоспособность. Рекордная мощность достигнута на сантиметровых волнах
в т. н. релятивистских М., работающих в режимах коротких (10-7 с)
импульсов от сильноточных ускорителей электронов (
Вт).
Разновидности М., родственные
приборы. Существует много типов М., конструкции к-рых модернизируются применительно
к требуемым выходным характеристикам. Кроме того, образовался целый класс электровакуумных
приборов СВЧ со скрещенными электрич. и магн. полями и катодом в пространстве
взаимодействия, по принципу действия родственных М. (приборы М-типа).
Их классифицируют по типам устройств формирования электронного потока и замедляющих
систем: 1) приборы с замкнутыми в кольцо замедляющей
системой и электронным потоком (с катодом в пространстве взаимодействия или
с боковой инжекцией трубчатого электронного пучка вдоль оси); 2) приборы с разомкнутой
замедляющей системой и замкнутым в кольцо электронным потоком (с катодом в пространстве
взаимодействия); 3) приборы с разомкнутыми замедляющей системой и пучком (инжектированным
с катода, вынесенного из пространства взаимодействия).
К первому семейству относится
сам М. и нек-рые его разновидности: регенеративно-усилительный М., в к-ром возбуждение
колебаний и управление их частотой осуществляются внеш. сигналом малой мощности,
вводимым обычно через циркулятор в сильно нагруженную резонаторную систему;
М., настраиваемый напряжением (митрон), в к-ром нагруженная колебат. система
(обычно стержневого типа) обладает слабо выраженными резонансными свойствами
и пространств. заряд электронов регулируется температурой катода или инжекцией трубчатого
потока вдоль оси прибора. Вследствие этого при малой мощности (Р
10
Вт) в непрерывном режиме достигается широкий диапазон перестройки частоты (
около
октавы).
Второе семейство включает
платинотроны. Важнейшие их представители: амплитрон - мощный импульсный
усилитель обратной волны с согласованными входным и выходным устройствами,
, 
Вт,
коэф. усиления К до 20 дБ; ультрон- мощный усилитель прямой волны с 
до 20%, К до 30 дБ; стабилотрон - механически перестраиваемый по частоте
высокостабильный генератор на базе амплитрона, дополненного резонатором и фазо-вращателем
на невыходном конце разомкнутой замедляющей системы.
К приборам М-типа иногда относят и электроннолучевые приборы СВЧ со скрещенными полями, в к-рых незамкнутый поток электронов формируется с катода, вынесенного из пространства взаимодействия. Эти приборы ближе К лампе бегущей волны и лампе обратной волны, их наз. ЛБВМ, ЛОВМ. С М. их роднит характер фазовой группировки потока и его энергообмена с полями.
В. Е. Нечаев
|
|
 |
