Магнетрони

Магнетроном називається генераторний прилад М-типу, в якому анод і катод є коаксіальними циліндрами, постійне магнітне поле є аксіальним та перпендикулярним електричному полю прискорення, а уповільнююча система є резонансною.

Принцип дії багаторезонаторного магнетрона базується на поєднанні методів короткочасної і тривалої взаємодії електронів із високочастотним електричним полем системи резонаторів, які утворюють замкнуту на себе уповільнюючу систему з вузькою смугою частот. Загальна схема багаторезонаторного магнетрона показаний на рис.13,а.

Рисунок 13. Загальна схема магнетрону: а) схема-переріз приладу: 1 — анодний блок; 2 — катод; 3 — резонатори; 4 — простір взаємодії; 5 — петля зв¢язку для виводу НВЧ енергії; б) форма електронного потоку та траєкторії руху електронів

Конструктивно магнетроном є діод (рис.13а), що складається з анодного блоку (анода) і катоду. Анодний блок — основний конструктивний елемент магнетрона, що містить уповільнюючу систему і забезпечує під'єднання інших елементів конструкції (вихідного пристрою, катода і ін.).

Уповільнююча система складається із зв'язаних, замкнутих в кільце резонаторів. Катод магнетрона має циліндрову форму і розташовується уздовж вісі анодного блоку. Простір між катодом і анодним блоком називається простором взаємодії, в якому відбувається обмін енергією між електронами і НВЧ полем. Поле НВЧ в просторі взаємодії утворюється за рахунок «провисання» електричної компоненти поля щілин за рахунок крайового ефекту. Розподілення НВЧ поля в просторі взаємодії представлено на рис. 14. Енергія виводиться за допомогою петлі і відрізка лінії передачі (коаксіального або полого хвилеводу), що знаходяться в одному з резонаторів.

Рисунок 14. Розподілення НВЧ поля в просторі взаємодії магнетрону

Електричне поле Е_r в магнетроні створюється джерелом анодної напруги U_a, негативний полюс якої підключений до катода, а позитивний до анода. Магнітне поле створюється постійним магнітом або електромагнітом, полюси якого знаходяться поблизу торцевих поверхонь анодного блоку. Електричне поле в магнетроні направлене уздовж радіусів циліндра, а магнітне поле перпендикулярне його вісі.

Рисунок 15. Режими роботи магнетрона: а) залежність струму анода від величини індукції магнітного поля; б) парабола критичного режиму.

Випадок 3 рис. 15а відповідає значенням індукції магнітного поля В_кр коли струм на аноді різко зменшується і електрони повертаються на катод. Цей режим має назву критичного. Для іншого значення потенціалу анодного блока буде існувати інше значення В_кр. Ці співвідношення критичних значень прискорювального потенціалу та магнітного поля визначаються квадратним рівнянням

,

де r_k r_a – радіуси катоду і аноду відповідно.

Рішення цього рівняння дають парбалу критичного режиму (рис.15б). Як правило магнетрони працюють при значеннях електричного і магнітного полів близьких до критичних.

Рисунок 16. Формування «спиць» електронного потоку в НВЧ полі резонаторів анодного блоку.

Формування згустків електронного потоку в просторі взаємодії можна легко пояснити, якщо звернути увагу на розподіл напруженості провисаючого електричного НВЧ поля (азимутальної його складової) яке зображене на рис.14. В залежності від фази коливання біля зазору резонатора електрони будуть отримувати приріст або зменшення азимутальної швидкості, що і приведе до їх групування по щільності. Коли сформовані «спиці» будуть проходити область зазору в гальмуючу фазу НВЧ коливань – вони будуть віддавати свою кінетичну енергію полю, що в свою чергу приведе до посилення НВЧ коливань.

Умовою резонансу анодного блоку магнетрона так само, як і звичайного кільцевого резонатора, є ціле число довжин хвилі, що укладаються по колу кільця-структури. Якщо позначити довжину хвилі в уповільнюючій системі l_упов, то умовою резонансу анодного блоку магнетрона буде

2p r_a = n l_упов (1.13)

де r_a — внутрішній радіус анодного блоку магнетрона; N — число резонаторів; п = 0, 1, 2, 3 ...

Цю ж умову можна виразити через різницю фаз коливань ( у будь-яких двох сусідніх резонаторах:

j N = 2 πn (1.14)

З (1.14) видно, що різниця фаз коливань в резонаторах може набувати тільки дискретних значень: j=2p n / N.

Види коливань анодного блока визначаються номером або величиною фазового зсуву j. Багаторезонаторні магнетрони працюють на коливаннях n=N/2, або p- виду (j = 180°), так як при цьому виді коливань забезпечуються найкращі характеристики генератора. Робота на p- виді потребує парної кількості резонаторів. У коливань p- виду кількість спиць дорівнює половині кількості резонаторів.

Значенням анодної напруги можна задавати швидкість обертання спиць або виконання умови синхронізму між зміною полярності НВЧ поля в резонаторах і проходженням спицями гальмуючої фази цього поля.

Основні характеристики і параметри магнетронів.

Робочі характеристики магнетрона (рис. 17) побудовані для фіксованих значень індукції магнітного поля В при заданому K_ст навантаження. З робочих характеристик видно, що при малій анодній напрузі анодний струм в магнетроні відсутній, тобто майже всі електрони, що вилетіли з катода, повертаються назад на катод. При деякому значенні анодної напруги, коли виконується умова синхронізму v_e= v_ф, вмагнетроні збуджуються інтенсивні коливання. У цій області при незначному збільшенні анодної напруги різко зростає анодний струм. При збільшенні напруженості магнітного поля інтенсивні коливання в магнетроні збуджуються при вищій анодній напрузі.

При дуже малих і дуже великих значеннях анодного струму робота магнетрона нестійка. Поблизу обласі малих струмів відбуваються стрибкоподібні зміни (перескоки) частоти робочого виду коливань на частоти інших видів коливань, струми збудження яких менше струмів збудження робочого виду коливань.

|

Рисунок 17. Робочі (а) та навантажень (б) характеристики магнетрона: суцільна лінія — вольт-амперна, штрихова — постійного ККД, штрих-пунктирна — постійній потужності; 1 — при постійній потужності; 2 — при постійній частоті.

В області великих струмів| виникають іскріння всередині магнетронів (пробої), що приводять до руйнування активної поверхні катода, а також можуть спостерігатися зриви (пропуски імпульсів) НВЧ- коливань. Коефіцієнт корисної дії збільшується із збільшенням напруженості магнітного поля, що пояснюється поліпшенням умови взаємодії електронів із НВЧ- полем.

До характеристик навантаженьвідносяться постійна потужність і частота. Характеристики навантажень, приведені на рис.17б, побудовані на плоскості комплексного значення коефіцієнта віддзеркалення (круговій діаграмі) для фіксованих значень анодного струму і напруженості магнітного поля. Заштрихована область відповідає нестійкому режиму роботи магнетрона.

Магнетрони відрізняються простотою конструкції, високим ККД і великою потужністю, що генерується. Особливо широке застосування магнетрони знаходять в радіолокації як генератори потужних (до десятків мегават) прямокутних імпульсів НВЧ, а також в промисловості, медицині і побуті як генератори безперервних сигналів потужністю від десятків ватт до десятків кіловатт. У таблиці 5 приведені значення основних усереднених параметрів імпульсних магнетронів.