Характеристики и параметры магнетронов

Условием для отдачи электронами максимальной энергии высокочастотному полю является равенство фазовой скорости бегущей волны и средней скорости движения электронов в отсутствие колебаний:^ = о_цк, т. е. в магнетроне реализуется условие синхронизма. Средняя скорость движения электронов неизменна для определенного режима работы магнетрона. Следовательно, и средняя кинетическая энергия электронов остается постоянной. Потенциальная же энергия электронов изменяется по мере подъема электронов к аноду. Она максимальна на катоде и равна е?/_а, т. е. определяется полной разностью потенциалов между катодом и анодом, и минимальна (равна нулю) на аноде.

Пользуясь условием синхронизма, можно приближенно определить электрические и магнитные поля, соответствующие рабочим режимам магнетрона:

г_а + г_к

где (О — частота генерируемых колебаний; г_ср = —^—- радиус окружности в середине пространства взаимодействия (г_а, г_к — соответственно радиусы анода и катода); сі = г_я — г_к— расстояние между катодом и анодом. Условие синхронизма меняется при переходе от одной точки к другой в направлении анода. Рассмотрим это условие для некоторой средней линии между катодом и анодом. Для пространства ближе к аноду от этой средней линии рассматриваемое условие будет выполняться с избытком, ближе к катоду с недостатком:

Отсюда.

Из этого выражения видно, что для каждого вида колебаний существуют оптимальные соотношения между и_л и В₀, при этом л-вид колебаний требует для своего возбуждения наименьшего анодного напряжения. Одним из признаков возбуждения колебаний является протекание конвекционного тока в анодной цепи магнетрона. Постоянное анодное напряжение ?/_а, при котором возникают СВЧ-колебания, принято называть пороговым напряжением магнетрона. Анализ показывает, что простое напряжение 17 _п может быть определено по формуле.

В соответствии с последней формулой построим графики (рис. 14.8). На этом рисунке изображена парабола критического режима и прямые линии, касательные к параболе. Каждая прямая линия определяет пороговое напряжение как функцию магнитного поля для каждого вида колебаний п (рассматривается восьмирезонаторный анодный блок, т.e~N = 8). Значения анодных напряжений для различных п в точках касания прямых называются потенциалами синхронизации 17 _сп. При 17 _а = 17_сп (п = 1, 2, 3, 4, см. рис. 14.8) электроны, двигаясь около анода параллельно его поверхности, оказываются в синхронизме с СВЧ-волной. Для того чтобы электроны попадали на анод, рабочее анодное напряжение магнетрона всегда должно удовлетворять условию 17_а > 17_сп, т. е. находиться выше линии порогового напряжения, при этом 17_а не может сильно отличаться от ?/_п, иначе будет нарушаться условие синхронизма. Таким образом, при рабочих режимах магнетрона анодные напряжения имеют значения, близкие к величинам, соответствующим линиям порогового напряжения для различных видов колебаний. На рис. 14.8 штриховкой отмечены области значений 17_я и В₍₎, где вообще нет рабочих режимов магнетрона. При значениях 17_а и ?₀, находящихся выше параболы критического режима, электроны, вылетая с катода и не совершая циклоидальных колебаний, попадают сразу на анод. Ниже линии п = 4 (л-вид) не существует видов колебаний, поскольку 71-вид колебаний соответствует наибольшему п.

В качестве рабочих характеристик

магнетрона приняты зависимости 17_Л = /(/_а) при постоянных значениях таких параметров прибора,.

Рис. 14.8.

как индукция магнитного поля В₀ = ?, В₂, ?₃, …, колебательная мощность Р_к, КПД Г| и частота генерируемых колебаний со. Обычно рабочие характеристики линии постоянных значений ?₀, Р_к и X] — изображаются на одном графике в координатах ?/_а, /_а (рис. 14.9).

Рассмотрим каждое семейство кривых U_a = /(/_а) при ?₀ = = const, затем при Г) = const и Р_к = const.

КПД магнетрона Г| определяется электронными потерями г_е и потерями в колебательной системе Г|_к, Т. е. Т) = Ц_ег_к. Электронные потери г_е определяются отношением энергии, получаемой СВЧ-полем, к полной энергии электронов, приобретенной от источника электрического питания. Основную долю потерь в Г|, составляют потери на аноде, и, поскольку электроны попадают на анод со скоростью, не меньшей, чем фазовая скорость волны данного вида колебаний, минимальная скорость электронов определяется потенциалом синхронизации. Кинетическая энергия, соответствующая этой скорости, рассеивается в виде тепла. Вторую группу электронных потерь составляют электроны, которые попадают в неблагоприятную фазу СВЧ-волны и возвращаются на катод, разогревая его. Поэтому часто после воз;

Рис. 14.9.

никновения генерации напряжение накала (подогрева) катода уменьшают. КПД колебательной системы определяется активным сопротивлением резонатора.

При неизменной величине индукции магнитного поля В₀ = = const и увеличении анодного напряжения от нуля до С/_а < С/_п (U_n — пороговый потенциал) анодный ток очень мал, поскольку магнетрон работает в закритическом режиме, и СВЧ-колебания отсутствуют. При достижении пороговой величины U_a = U_n магнетрон возбуждается, и анодный ток нарастает. При работе магнетрона необходимо выполнение условия синхронизма, т. е. ^уФ (_П.р) = ^у, — ³Д^есь.

При постоянной индукции магнитного поля В₀ = const возможно изменение U_u в небольших пределах (не отражено на рис. 14.8). Увеличение анодного напряжения выше порогового вызывает увеличение скорости вращения спицы, в результате чего центр спицы смещается относительно максимума тангенциальной составляющей напряженности электрического СВЧ-поля. Наводимый в анодной цепи ток начинает опережать СВЧ-напряжение, и эквивалентная проводимость анодного блока приобретет емкостной характер. Частота генерируемых колебаний возрастает. Это явление носит название " электронного смещения частоты" (явление, аналогичное электронной настройке частоты). Изменение анодного напряжения, вызывающее пропорциональное изменение частоты, позволяет автоматически поддерживать условие синхронизма.

°ф (п, р) ^{= и}е-

При изменении В для сохранения условия синхронизма.

необходимо пропорциональное изменение U_a.

Чтобы объяснить семейство кривых г) = const, рассмотрим зависимости г| = /(/_а) при U_A = const и т = f (U_a) при /_а = const, т. е. заменим параметр функцией, а функцию и аргументы по очереди будем делать параметром. Указанные две зависимости полностью объясняют линии постоянного КПД на рабочих характеристиках. Рассмотрим сначала зависимость ц_е = /(/_а) при.

U_a = const. Как легко увидеть из семейства рабочих характеристик, КПД Г| сначала увеличивается с возрастанием тока /_а, а потом уменьшается.

При малых токах /_а мала и амплитуда переменного напряжения на анодном блоке магнетрона; фазовая группировка электронов в спице, обусловленная радиальной составляющей электрического СВЧ-поля, в этом случае проявляется слабо. Спица плохо сформирована. Много электронов выпадает из синхронизма с волной и возвращается на катод, что приводит к малому уровню мощности Р_к и соответственно малому ]_е. Увеличение /_а улучшает группировку электронов в спице. Все большее количество электронов в спице приближается к области максимального значения тангенциальной составляющей напряженности электрического СВЧ-поля, эффективность взаимодействия электронов с СВЧ-полем улучшается, растет его напряженность и выходная мощность увеличивается. При больших /_а генерируемая мощность Р_к и т_е уменьшаются из-за разгруппировки спицы под действием большого объемного заряда электронов (большой ток — много электронов в спице — большой объемный заряд — большие кулоновские силы расталкивания).

Как видно из рабочих характеристик, функция г| = f (U_a) при /_а = const является возрастающей, т. е. Г| становится больше при увеличении U_a. При объяснении этой зависимости учтем, что кинетическая энергия электронов, падающих на анод, не может быть меньше eU_cn. Если пренебречь потерями на катоде, то.

где Р₀ = 1_аи_н — мощность, затрачиваемая источником питания на формирование электронного потока, С/_с = ?/_сл.

Выражение (14.17) показывает, что х₍, растет при увеличении ?/_а. Однако реальные значения КПД меньше, чем вычисленные по последней формуле. Объясняется это тем, что кинетическая энергия электронов, падающих на анод, оказывается значительно больше, чем е?/_ся, поскольку величина еи_сп определяет скорость у_цк центра образующей окружности, а электроны могут попасть на анод в любой точке циклоиды. С увеличением и_л для соблюдения условия синхронизма пропорционально увеличивается и индукция магнитного поля, поскольку и^_{п р)} = о_цк = = -—р = const для данного вида колебаний. Однако пропорциональное увеличение ?/_а и В приводит к уменьшению радиуса.

mU_a образующей окружности R, так как R =- Г~о2. Следовательно, высота и период циклоиды уменьшаются, что приводит к уменьшению средней кинетической энергии электронов, бомбардирующих анод. Уменьшение радиуса R эквивалентно уменьшению мгновенного значения кинетической энергии при постоянстве скорости перемещения центра круга и_цк.

Рассмотрим кривые Р_к = const. Колебательную мощность Р_к можно записать в виде Р_к = Т|?/_а/_а, т. е. U_а = —у. Таким образом, V, а в координатах (У_а, /_а кривые Р_к = const близки к гиперболе. Отклонение от гиперболы обусловлено зависимостью Г| от U_a и /_а.