Магнетроны

Контрольная работа

Магнетроны

Содержание

1. Устройство магнетрона

2. Статические характеристики цилиндрического магнетрона

3. Виды колебаний анодного блока многорезонаторного магнетрона

4. Движение электронов в пространстве взаимодействия магнетрона. Фазовая фокусировка. Спицы пространственного заряда

5. Условия самовозбуждения многорезонаторного магнетрона

6. Разделение видов колебаний в многорезонаторных магнетронах

7. К.п.д. многорезонаторного магнетрона

8. Рабочие и нагрузочные характеристики магнетронов

Литература

1. Устройство магнетрона

Магнетрон – это диод с постоянным магнитным полем, перпендикулярным направлению электрического поля. Колебательная система магнетрона образована рядом объемных резонаторов, выполненных в толще анодного блока (рис.1).

Рис.1

Электроны эмитируются цилиндрическим катодом. Пространство между катодом и анодом называется пространством взаимодействия. В этой области постоянное электрическое поле направлено по радиусу, магнитное – перпендикулярно плоскости чертежа и в ней происходит обмен энергиями между электронами и СВЧ полем. Объемные резонаторы связаны с пространством взаимодействия через щели, поэтому СВЧ поле провисает в пространство взаимодействия. При определенных условиях в многорезонаторном магнетроне возникают колебания. Энергия выводится с помощью петли, находящейся в одном из резонаторов и коаксиальной линии или волновода. Так как постоянное электрическое поле направлено по радиусу, а постоянное магнитное поле – вдоль оси катода, электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны (скрещение поля).

2. Статические характеристики цилиндрического магнетрона

Статическими характеристиками называются зависимости (рис. 2)

при

при отсутствии СВЧ колебаний.

Рис. 2

Согласно курсу «Специальные разделы физики», траектория движения электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях описывается траекторией точки, находящейся на ободе катящегося колеса (рис.3).

Рис.3

Если увеличивать индукцию магнитного поля при неизменном анодном напряжении Ua=Const то радиус катящего круга постепенно уменьшается. Электронные траектории, которые при B=0 нормальны к поверхностям анода и катода начинают искривляться. При d=2R в плоском магнетроне электроны лишь касаются анода в вершине циклоиды. При d>2R электроны, не доходя до анода, совершают многократные колебания по циклоиде. Ток анода резко падает. Соответствующая величина магнитной индукции называется критической индукцией Bkp . Конечная скорость спада тока при B=Bkp и наличие небольшого тока Ia0 при B>Bkp объясняется влиянием начальных скоростей электронов, колебаниями, спонтанно возникающими в электронном облаке магнетрона, и рядом других факторов.

Таким образом, в плоском диоде при

В цилиндрическом магнетроне

где – радиус катода;

– радиус анода.

При неизменной величине B существует критическое анодное напряжение , ниже которого ток через диод становится равным нулю.

Это уравнение определяет параболу критического режима (рис.4.)

Рис. 4.

Значение и являются важными параметрами, характеризующими работу магнетрона (рис.4). не только в статическом режиме, но и при наличии СВЧ колебаний. Рабочей областью магнетрона является область под параболой критического режима, где:

B>Bkp; Ua<Uakp.

3. Виды колебаний анодного блока многорезонаторного магнетрона

Колебательная система многорезонаторного магнетрона состоит из объемных резонаторов и пространства взаимодействия. Соседние резонаторы связаны пространством взаимодействия, поэтому колебательную систему можно представить замкнутой цепочкой связанных резонаторов (рис.5),

Рис. 5.

Где: L и C – эквивалентные индуктивность и емкость идентичных резонаторов; Сk – емкость между сегментом и катодом, которая определяет емкостную связь между резонаторами.

Предполагается, что магнитная связь между резонаторами отсутствует.

В замкнутой системе цепочки резонаторов (звеньев фильтра) могут возбуждаться только те колебания, для которых сумма сдвигов фазы в звеньях при одном обходе кратна величине 2. Сдвиг фазы на одно звено 0, т.е. между колебаниями в соседних резонаторах, может принимать лишь следующие дискретные значения:

где N – число резонаторов, n – целое число, называемое номером вида колебаний. В теории фильтров доказывается, что сдвиг фазы на одно звено 0 в полосе прозрачности системы не может быть более 180, поэтому номер вида и соответствующие ему углы приобретают лишь следующие значения:

n	0	1	2	….
0	0			….

Вид колебаний n=0, 0 =0 называется синфазным, а n=N/2, 0 = – противофазным или – видом.

Соотношение называют условием цикличности или замкнутости СВЧ – поля магнетрона.

Каждому виду колебаний соответствует собственная частота колебательной системы. Переход к другому виду означает изменение сдвига фазы 0 на одно звено, а при фиксированных параметрах L, C, Ck каждого звена каждое новое значение 0 можно получить только на другой частоте. Расчет по эквивалентной схеме приводит к формуле для частоты k/n вида колебаний с номером n:

где – собственная резонансная частота изолированного резонатора.

Расчет по теории фильтров дает

Где: – последовательное сопротивление лестничной структуры;

– параллельное сопротивление лестничной структуры.

откуда:

Из формулы видно, что с ростом n растет частота. Для -вида

Для вида n=0 формула неприемлема. Каждому виду соответствует вполне определенная картина СВЧ поля в пространстве взаимодействия. Например, при N=8 для видов n=4 и n=2 картины поля в пространстве взаимодействия имеют вид рис.

Рис.

Рабочим видом колебаний в многорезонаторных магнетронах, обеспечивающим максимальный к.п.д., является -вид. -вид возможен только при четном количестве резонаторов.

СВЧ поле имеет азимутальную E и радиальную Er составляющие. Картина распределения азимутальной составляющей СВЧ поля по азимуту имеет вид рис.7.

Рис.7.

Зависимость поля от азимута несинусоидальная, поэтому как и в замедляющих системах с периодическими неоднородностями, необходимо учитывать пространственные гармоники.

Понятие пространственных гармоник введено для бегущих волн, а в пространстве взаимодействия магнетрона поле имеет характер стоячей волны. Очевидно, что несинусоидальную по азимуту стоячую волну можно представить как суперпозицию двух несинусоидальных по азимуту волн, бегущих в противоположных направлениях. Каждую из этих волн можно заменить суммой пространственных гармоник. В результате для каждого номера гармоники имеется две синусоидальных волны, бегущих с равными фазовыми скоростями, но в противоположных направлениях.

Условие цикличности справедливо лишь для нулевой пространственной гармоники (p=0) любого вида колебаний. Для гармоники с номером p сдвиг фазы на одно звено системы фильтров.

; где

Очевидно, что волна нулевой гармоники вида n совершает один обход пространство взаимодействия за время nTn, а путь между соседними резонаторами за время

где Tn – период высокочастотного поля вида n. Для гармоники с номером p время движения между соседними резонаторами на целое число периодов больше, чем , т.е.

Поэтому угловая скорость волны пространственной гармоники p-номера вида n, для геометрического угла между соседними резонаторами

Из формулы следует, что для любого вида колебаний n максимальная угловая скорость у нулевой гармоники. Наименьшая угловая скорость нулевой гармоники наблюдается у -вида

Очевидно, что для -вида наибольшую и одинаковую по абсолютной величине угловую скорость имеют одновременно пространственные гармоники p=0 и p=-1.

Фазовые скорости волн, бегущих вдоль анодного блока равны

Чем выше номер вида колебаний n и чем больше номер пространственной гармоники p, тем меньше скорости прямых и обратных волн, вращающихся в пространстве взаимодействия. Волна, соответствующая p=0 имеет при данном n наибольшую фазовую скорость и является основной волной.

Величина фазовой скорости может быть сделана значительно меньше скорости света c в свободном пространстве. Замедление

где – рабочая длина волны в свободном пространстве.

Для волны -вида при p=0.

при =3 см, ra=0,5 см; N=16:

Если высокочастотные колебания отсутствуют, электроны движутся по циклоидам. Конвекционный ток анода при B>Bkp равен нулю. Рассмотрим изменение этого движения при наличии малых высокочастотных колебаний.

Наиболее интенсивное взаимодействие электронов с СВЧ полем может быть при условии, что электрон длительное время находится в тормозящей фазе СВЧ поля. СВЧ поле в пространстве взаимодействия может быть представлено в виде волн, бегущих в пространстве между катодом и анодом. Поэтому условие приблизительного постоянства фазы СВЧ поля относительно электрона можно рассматривать, как условие равенства фазовой скорости одной из волн и средней скорости Vц, с которой перемещается центр катящегося круга

При обеспечении синхронизма для одной из волн действие на электрон других волн можно не учитывать, так как их фазовые скорости будут значительно отличаться от Vц.

Свяжем с одной из волн систему координат, двигающуюся вместе с волной со скоростью . Электрическое поле волны относительно этой системы координат является неподвижным. Пусть средняя скорость электронов, равная совпадает с фазовой скоростью волны . Рассмотрим поведение типичных электронов, находящихся в разных участках пространства взаимодействия (рис.8).

Рис.8

Результирующее электрическое поле определяется сложением векторов постоянного и СВЧ электрических полей и будет разным в точках 1,2,3,4.

Результирующее электрическое поле E, действующее на электрон типа 1, не изменяет своего направления, но уменьшается по абсолютной величине (рис. 9.).

Рис. 9

Скорость центра катящегося круга, равная теперь , уменьшится по сравнению со статическим режимом. В результате электрон типа 1 начинает отставать от бегущей волны и постепенно смещается к электрону типа 4. Похожее изменение происходит и с электроном типа 3 для которого результирующее электрическое поле несколько увеличивается по сравнению со статическим режимом (рис 10).

Рис. 10

Поэтому электрон типа 3 двигается быстрее волны и постепенно тоже приближается к электрону типа 4. Электрон типа 4 вынужден двигаться в поле E мало отличающемся по абсолютной величине от статического электрического поля, по имеющем некоторый наклон вектора E (рис. 11).

Рис. 11

Этот наклон означает, что круг, определяющий циклоидальную траекторию, не должен более катиться параллельно плоскости катода. Качение круга должно теперь происходить по линии, перпендикулярной E, т.е. наклоненной в сторону анода. В неподвижной системе координат электрон типа 4, оставаясь в синхронизме с волной, постепенно двигается по направлению к аноду.

Таким образом, электрон типа 4 длительное время находится в области максимального поля. При каждом циклоидальном колебании электрон теряет часть потенциальной энергии и поднимается все ближе к аноду (рис. 12). Вращательная энергия электрона остается примерно постоянной.

Рис.12

С физической точки зрения электрон типа 4 является наиболее благоприятным для поддержания колебаний в магнетроне. Электроны типов 1 и 3 постепенно улучшают свою фазу относительно ВЧ поля и, попадая в тормозящее тангенциальное поле, так же становится благоприятными для генерации.

Электрон типа 2 после выхода из катода подвергается действию ускоряющего тангенциального поля (рис. 13).

Рис.13.

Плоскость, по которой происходит качение круга, наклоняется в сторону катода. В конце первого циклоидального колебания, электрон типа 2, поглотив часть энергии от ВЧ поля, ударяется о катод и прекращает дальнейшее существование в пространстве взаимодействия (рис.14). Электрон типа 2 является неблагоприятным для возбуждения колебаний. Поскольку он быстро «отсортировывается» на катод, в пространстве взаимодействия остаются в основном благоприятные электроны.

Рис. 14.

Таким образом, действие высокочастотного электрического поля автоматически приводит к сортировке электронов, причем благоприятные (правильнофазные) электроны отдают ВЧ полю больше энергии, чем поглощают неблагоприятные электроны. В результате малые колебания должны нарастать по амплитуде, т.е. должно происходить самовозбуждение магнетрона.

Благоприятные электроны создают конвекционный ток анода при B>Bkp. Неблагоприятные для возбуждения колебаний электроны, бомбардирующие катод, вызывают его дополнительный разогрев и приводят к появлениюзначительной вторичной эмиссии с катода.

Основную роль в группировке (фазовой фокусировке) в магнетроне играет радиальная составляющая СВЧ электрического поля. Роль тангенциальной составляющей сводится к отбору энергии от электронов.

Образование электронных сгустков можно наглядно проследить в системе координат, двигающейся со скоростью замедленной волны (рис. 15).

Рис. 15.

В этой системе при отсутствии СВЧ колебаний центры катящихся кругов, определяющих реальные траектории электронов, останутся неподвижными. Каждый из электронов при этом описывает окружность. Действие радиального и тангенциального СВЧ полей приводят к тому, что центры катящихся кругов постепенно смещаются.

Преобладает передача энергии полю, что усиливает воздействие поля на электронный поток и т.д. В пространстве взаимодействия возникают пульсации границы облака пространственного заряда, которые в установившемся режиме достигают анода. Динамический пространственный заряд приобретает форму спиц, которые вращаются вокруг анода с постоянной угловой скоростью (рис.16).

Число спиц, очевидно равно числу тормозящих областей СВЧ поля в пространстве взаимодействия, т.е. номеру вида колебаний. У колебаний -вида число спиц максимально и равно половине числа резонаторов. В спице существует динамическое равновесие: в нее постоянно входят электроны из прикатодной области и постоянно выходят электроны на анод.

Рис. 16

5. Условия самовозбуждения многорезонаторного магнетрона

Условия самовозбуждения магнетрона сводятся к условию синхронизма, обеспечивающему передачу потенциальной энергии электронного потока СВЧ полю, т.е. к требованию равенства фазовой скорости и скорости переносного движения электрона Vn для выбранной пространственной гармоники p вида колебаний n

Будем считать, что условие синхронизма выполняется для окружности среднего радиуса пространства взаимодействия

Фазовая скорость волны на этом радиусе будет средней для пространства взаимодействия.

где – частота колебаний для n-вида;

– угловая скорость волны пространственной гармоники p вида колебаний n.

Переносная скорость , поэтому условие синхронизма можно записать в виде.

Так как , величина порогового напряжения, при котором выполняется условие синхронизма.

Связь между Uanop и магнитной индукцией линейная. Графики этой зависимости называют пороговыми прямыми (или прямыми Хартри). Прямые проходят через начало координат, а их наклон зависит от номера вида колебаний n и номера пространственной гармоники p (рис. 17).

Рис. 17.

Построенные прямые пересекают параболу критического режима. При значениях Ua, соответствующих заштрихованной области генерации колебаний нет, так как электроны в этом случае быстро уходят на анод, не успевая провзаимодействовать с СВЧ полем. При Ua< Uakp (ниже параболы) в точках на пороговых прямых начинается возбуждение колебаний, так как в «закритическом» режиме из-за циклоидального движения возможно длительное взаимодействие с СВЧ полем. Наименьшие пороговые напряжения соответствуют колебаниям -вида (n=N/2), что является важным преимуществом этого вида колебаний.

Уравнение для Uaпор является приближенным. При его выводе неявно предполагалось, что кинетическая энергия электрона при переходе к аноду равна нулю. На самом же деле из условия синхронизма скорость электрона у анода равна.

кинетическая энергия электрона у анода.

С учетом перехода части потенциальной энергии eUa в кинетическую энергию электрона Wk, выражение для порогового напряжения запишется в виде

Зависимость Uanop=f(B) по прежнему линейна, однако пороговые прямые уже не проходят через начало координат из-за наличия второго слагаемого. Пороговые прямые теперь не пересекают параболу критического

режима, а только касаются ее. Минимальное значение порогового напряжения для каждой пороговой прямой соответствует этой точке касания (рис.18).

Рис. 18

Это пороговое напряжение называют напряжением синхронизации. Очевидно, что минимальное пороговое напряжение требуется в том случае, когда электроны движутся параллельно поверхности анода в непосредственной близости от него со скоростью, равной скорости волны

Напряжение синхронизации соответствует выполнению условия самовозбуждения в предельном случае вблизи критического режима работы магнетрона. Таким образом, напряжение синхронизации – это такое напряжение при котором превращение всей скорости вблизи анода в круговую обеспечивает синхронное движение электронов и поля. Если Ua<Uc электроны движутся медленнее волны и магнетрон не работает. Таким образом, рабочую диаграмму магнетрона можно представить в виде рис.19.

Рис. 19

Рассмотрим как меняются условия движения электрона при увеличении анодного напряжения при фиксированном значении B=Bраб.

На участке А-С электрон движется по циклоиде со средней скоростью меньше скорости волны. По мере роста Ua радиус циклоиды растет, средняя скорость электрона увеличивается.
В точке С выполняются условия синхронизма электроны вступают во взаимодействие с волной. Группирующиеся электроны отдают потенциальную энергию СВЧ полю и поднимаются к аноду. Через магнетрон начинает протекать анодный ток. Пороговая прямая разграничивает области протекания и не протекания анодного тока в динамическом режиме.
Участок С-D является рабочим участком. При увеличении Ua в пределах этого участка электроны, двигаясь в закритическом режиме, находятся все время в синхронизме с СВЧ полем. С ростом Ua возрастает анодный ток и амплитуда колебаний.
Точка D лежит на параболе критического режима. В этом случае электрон достигает анода при прохождении первой петли циклоиды и вся потенциальная энергия электрона целиком переходит в его кинетическую энергию у анода. к.п.д. становится равным нулю, колебания срываются, через магнетрон течет ток, определяемый статическими условиями.
При Ua< Ukp магнетрон находится в докритическом режиме и возбудиться не может. Точка E на рабочей диаграмме определяет минимальные значения Uamin и B0, ниже которых самовозбуждение магнетрона невозможно. Координаты точки E равны

Для -вида колебаний (n=N/2)

Из формул видно, что чем больше число резонаторов N, тем меньше минимальные значения Uamin и B0.

При работе на пространственных гармониках p=1 пороговое напряжение и минимальное значение магнитной индукции оказываются ниже, чем для p=0. Использование ненулевых пространственных гармоник позволяет работать при меньшем анодном напряжении. Однако напряженность поля гармоник уменьшается сильнее от анода к катоду, чем у нулевой, что затрудняет самовозбуждение колебаний. Существуют маломощные магнетроны с рабочим напряжением Ua<100 B.

6. Разделение видов колебаний в многорезонаторных магнетронах

Каждому виду колебаний в многорезонаторном магнетроне соответствует своя рабочая частота. Наименьшая разница частот f получается между рабочим -видом и ближайшим видом . Чем больше число резонаторов, тем меньше эта разница. Ее называют разделением частот. Относительное разделение частот f/f небольшое, порядка 1%. Для устойчивости работы магнетрона на -виде колебаний желательно иметь разделение частот порядка 10-20%. При одинаковых размерах резонаторов f/f увеличивается с помощью связок. Связки представляют собой проволочки или ленточные проводники, расположенные над торцами анодного блока и присоединенные последовательно через один к его сегментам (рис.20).

Если в магнетроне возбуждены колебания -вида, то каждая связка соединяет точки с одинаковым потенциалом. Поэтому связки не изменяют распределения поля. Однако между связкой и анодным блоком имеется емкость, которая понижает резонансную частоту -вида колебаний по сравнению со случаем отсутствия связок.

Предположим теперь, что возбуждаются другие виды колебаний n<N/2. Тогда те же точки прикосновения связок уже не имеют одинаковый потенциал. По связкам потекут уравнительные токи, влияние которых эквивалентно подключению индуктивности параллельно двум резонаторам.

Рис.20

Это повышает частоты нерабочих видов колебаний (Рис.21).

Рис. 21

Связки бывают:

односторонние (с одной стороны анодного блока);
- двусторонние;
- одинарные (одно кольцо с одной стороны);
- двойные (два кольца с одной стороны);
- открытые (связка над блоком);
- экранированные;
- симметричные;
- асимметричные.

С увеличением высоты анодного блока влияние связок уменьшается. Использование связок повышает к.п.д. и выходную мощность магнетрона, так как позволяет работать при больших токах пучка не опасаясь перескока с одного вида колебаний на другой. В то же время наличие связок снижает собственную добротность резонатора. С ростом рабочей частоты конструктивное выполнение связок затрудняется.

На длинах волн < 3см вместо связок обычно используют для разделения видов колебаний разнорезонаторные анодные блоки (рис.22). В разнорезонаторных системах могут применяться как большие и малые резонаторы одного типа, так и комбинации резонаторов разных типов.

Рис. 22

На рис.22 показана разнорезонаторная система с щелевыми резонаторами.

Для разнорезонаторной системы эквивалентная схема звена фильтра, образованного большим и малым резонаторами имеет вид рис.23.

Рис. 23

где L1, C1 – индуктивность и емкость большого резонатора;

– его резонансная частота;

L2, C2 – индуктивность и емкость малого резонатора;

– его резонансная частота;

Ck – емкости ламелей на катод.

При использовании обозначений:

;

схема рис.23 приобретает вид, изображенный на рис.24.

Рис.24

Так как четвертым слагаемым можно пренебречь.

Для -вида: 0=; Cos20=Cos2=1.

;

Резонансная частота для -вида определяется резонансной частотой контура, образованного параллельными соединением большого и малого резонаторов.

Для разнорезонаторных магнетронов резонансные длины волн распадаются по две группы, соответствующие малым и большим резонаторам. Резонанс вида лежит между этими двумя группами (рис.25).

Рис.25

Для восемнадцатирезонаторного магнетрона разделение видов показано на рис.25.

Отношение резонансных частот малых и больших резонаторов выбирают равным:

СВЧ поле в пространстве взаимодействия, создаваемое большими резонаторами превышает СВЧ поле малых резонаторов. Так как поле больших резонаторов всегда изменяется синфазно, на -вид в разнорезонаторной системе накладывается нулевой вид. Это снижает эффективность взаимодействия.

7. К.п.д. многорезонаторного магнетрона

Прямое вычисление к.п.д. затруднено, поэтому вычисляют мощность, рассеиваемую электроном на аноде после взаимодействия с СВЧ полем, а затем используют закон сохранения энергии. Скорость, которую имеет электрон при ударе об анод, зависит от момента удара. В наихудшем с точки зрения к.п.д. случае удар происходит в верхней точке циклоиды. Радиус катящегося круга

где d – расстояние между катодом и анодом.

Циклотронная частота

Максимальная скорость электрона в вершине циклоиды

Максимальная кинетическая энергия, рассеиваемая электроном на аноде,

Тот же электрон, находясь на катоде до начала движения в пространстве взаимодействия обладал потенциальной энергией .

Следовательно, энергия, отданная СВЧ полю, по закону сохранения энергии равна:

Электронный к.п.д. рассматриваемого одиночного электрона

Полученное уравнение можно преобразовать к виду:

При Ua=Uakp; B=Bkp электронный к.п.д. равен нулю, что согласуется с ранее полученными из рабочей диаграммы результатами.

Рис. 2

Полученная формула не дает теоретического предела к.п.д. (при Ua<<Vakp и B=Bkp эл1).

Чтобы проследить зависимость к.п.д. от величины магнитного поля используем упрощенное условие самовозбуждения

Полагая, что p=0 и d=ra –rk, получим

Из формулы видно, что для достижения одного и того же значения эл наименьшее магнитное поле требуется при -виде колебаний.

На первый взгляд кажется, что к.п.д. возрастает с уменьшением отношения rk/ra. Однако при малом rk/ra электрическое поле становится неоднородным (большим вблизи катода и меньшим вблизи анода) и это не позволяет выполнить условия синхронизма. Для оценки оптимального соотношения rk/ra предложены эмпирические соотношения от которых можно заметно отклоняться.

Полный к.п.д. магнетрона с учетом к.п.д. резонаторной системы k равен:

К.п.д. резонансной системы:

8. Рабочие и нагрузочные характеристики магнетронов

Рабочими характеристиками называются вольтамперные характеристики, снятые при условиях В=const, Pген=const, f=const, =const. Эти характеристики принято строить в прямоугольной системе координат. По вертикальной оси откладывается постоянное анодное напряжение, а по горизонтальной - постоянный анодный ток.

Рассмотрим идеализированные рабочие характеристики, которые получаются из простых соотношений

Семейство кривых постоянной генерируемой мощности Pген=const. (рис 27).

Рис. 27

Если бы к.п.д. оставался неименным и не зависел от Ia то при Pген=const вольтамперные характеристики Ua=f(Ia) имели бы вид гипербол. Однако с ростом Ia электронный к.п.д. несколько снижается, так как при этом повышается амплитуда СВЧ колебаний и увеличивается доля мощности, рассеиваемой на аноде в конце последнего витка циклоиды. Чем больше генерируема мощность, тем выше и правее должны располагаться кривые Pген=const.

Семейство кривых постоянной магнитной индукции . (рис 28).

Рис. 28

При неизменной магнитной индукции при повышении анодного напряжения от нуля до значения Uпор анодный ток должен быть очень мал и колебания должны отсутствовать. При достижении Uпор происходит самовозбуждение катода и резкое возрастание анодного тока. Величина Ia при этом достигает максимального значения, определяемого эмиссионной способностью катода. Увеличение магнитной индукции соответствует большей величине анодного напряжения, при котором начинается протекать ток, так как:

Крутые участки, показанные пунктиром, экспериментально снять не удается, пологие участки почти параллельны оси Ia. Динамическое сопротивление составляет 60-130 Ом для импульсных магнетронов, и 700 Ом для непрерывных.

Статическое сопротивление:

Семейство кривых постоянного к.п.д. (рис. 29).

Рис 29

Для объяснения зависимости нужно учесть зависимость , (рис 30).

К.п.д. резонатора от режима работы магнетрона не зависит.

Рис 30

При малых анодных токах СВЧ поле слишком мало, чтобы сгруппировать электронный поток в спицы и к.п.д. мал. При слишком больших токах происходит разгруппирование заряда и к.п.д. также уменьшается. Поэтому зависимости Ua=f(Ia) при =const не монотонные. На начальных участках при малых токах они аналогичны кривым при Pген=const, а при больших токах для поддержания постоянства к.п.д. необходимо увеличение анодного напряжения.

Линии равной частоты .

Электронная проводимость, вносимая электронным потоком в резонаторы магнетрона, имеет комплексный характер. Реактивная часть этой проводимости, связанная с наличием фазового сдвига между максимумами наведенного тока и максимумом СВЧ напряжения, вызывает смещение частоты генерируемых колебаний относительно резонансной частоты колебательной системы (рис 31). При соответствующем подборе анодного напряжения фазовая скорость волны и скорость электронного потока совпадают (спицы движутся синхронно с полем) (рис 32).

Рис 31

Если анодное напряжение возрастает, для сохранения синхронного движения спица должна уйти вперед в область тормозящего радиального СВЧ поля. Это компенсирует изменение скорости электронов за счет роста постоянного анодного напряжения. При уменьшении анодного напряжения спица будет смещаться влево в область ускоряющего радиального СВЧ поля. Таким образом, возникает фазовый сдвиг между спицей и СВЧ полем, что приводит к изменению частоты генерации. Зависимости при не имеют очевидной качественной трактовки.

Рис 32

Нагрузочные характеристики зависимости и , снятые при номинальных значениях В и Ia при изменении Zн и построенные на круговой диаграмме (рис 33). Линии Pген=const близки к линиям R=const- постоянного активного сопротивления.

Рис 33

Линии f=const близки, но не совпадают, к линиям Х=const постоянного реактивного сопротивления. Изменение частоты, которое происходит при изменении фазы коэффициента отражения от 0 до 2р, при [Г]=0.2 (КСВ=1.5) называют степенью затягивания частоты нагрузкой ().

для магнетронов 10 см диапазона 10-15 Мгц, для 3 см диапазона 15-20 МГц. Степень затягивания напрямую связана с внешней добротностью.

Применение магнетронов.

Мощность, отдаваемая магнетронами:

- 1Вт-10кВт - в непрерывном режиме

- 50кВт-10МВт - в импульсном режиме.

Основные области применения:

1. Передатчики импульсных РЛС и радиолокационных маяков

2. Генераторы помех

3. Импульсные генераторы для питания линейных ускорителей электронов.

4. Генераторы непрерывного режима для промышленного нагрева.

5. Бытовые СВЧ печи.

Преобразование СВЧ энергии в энергию постоянного тока.

Литература

Кучумов, А.И. Электроника и схемотехника: Учебное пособие / А.И. Кучумов. - М.: Гелиос АРВ, 2011. - 336 c.

Лапынин, Ю.Г. Контрольные материалы по электротехнике и электронике: Учебное пособие для учреждений среднего профессионального образования / Ю.Г. Лапынин. - М.: ИЦ Академия, 2011. - 128 c.

26. Лачин, В.И. Электроника: Учебное пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. - Рн/Д: Феникс, 2010. - 703 c.

Манаев, Е.И. Основы радиоэлектроники / Е.И. Манаев. - М.: ЛИБРОКОМ, 2013. - 512 c.

Марченко, А.Л. Основы электроники: Учебное пособие для вузов / А.Л. Марченко. - М.: ДМК Пресс, 2013. - 296 c.

Миловзоров, О.В. Электроника: Учебник для бакалавров / О.В. Миловзоров, И.Г. Панков. - М.: Юрайт, 2013. - 407 c.

Мишкович, В.И. Электротехника и электроника: Учебное пособие для вузов / В.В. Кононенко, В.И. Мишкович, В.В. Муханов [и др.]; Под ред. В.В. Кононенко. - Рн/Д: Феникс, 2010. - 784 c.

Морозова, Н.Ю. Электротехника и электроника: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Н.Ю. Морозова. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 288 c.

Москатов, Е.А. Силовая электроника. Теория и конструирование / Е.А. Москатов. - М.: Корона-Век, МК-Пресс, 2013. - 256 c.

Неволин, В.К. Квантовый транспорт в устройствах электроники / В.К. Неволин. - М.: Техносфера, 2012. - 88 c.

Немцов, М.В. Электротехника и электроника: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования / М.В. Немцов, М.Л. Немцова. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 480 c.

Нефедов, А.В. Диоды, транзисторы и модули для силовой электроники / А.В. Нефедов. - М.: Радио и связь, 2012. - 312 c.

Новожилов, О.П. Электротехника и электроника: Учебник для бакалавров / О.П. Новожилов. - М.: Юрайт, 2013. - 653 c.

Опадчий, Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. - М.: Гор. линия-Телеком, 2007. - 768 c.

Партала, О.Н. Цифровая электроника / О.Н. Партала. - М.: Наука, 2001. - 224 c.

Пихтин, А.Н. Квантовая и оптическая электроника: Учебник / А.Н. Пихтин. - М.: Абрис, 2012. - 656 c.

Платт, Ч. Электроника для начинающих / Ч. Платт; Пер. с англ. Б. Бондаренко. - СПб.: БХВ-Петербург, 2013. - 480 c.

Покотило, С.А. Справочник по электротехнике и электронике / С.А. Покотило. - Рн/Д: Феникс, 2012. - 282 c.

Полещук, В.И. Задачник по электронике: Практикум для студ. сред. проф. образования / В.И. Полещук. - М.: ИЦ Академия, 2011. - 160 c.

Прянишников, В.А. Электроника: курс лекций / В.А. Прянишников. - СПб.: КОРОНАпринт, 2000.

Рекус, Г.Г. Лабораторный практикум по основам электротехники и промышленной электроники: Учебное пособие / Г.Г. Рекус. - М.: Высш. шк., 2007. - 255 c.

Розум, Т.Т. Сборник задач по электротехнике и электронике: Учебное пособие / Ю.В. Бладыко, Т.Т. Розум, Ю.А. Куварзин; Под общ. ред. Ю.В. Бладыко. - Мн.: Вышэйшая шк., 2012. - 478 c.

Сидоров, И.Н. Электроника дома и в саду / И.Н. Сидоров. - М.: Радио и связь, 2001. - 144 c.

Магнетроны