Глава пятая. Многорезонаторные магнетроны

5-1. Устройство и принцип действия

Определение. Многорезонаторными магнетронами называют электронные приборы, в которых образование электронного потока и его взаимодействие с переменными электрическими полями ряда колебательных контуров-резонаторов происходит в стационарных скрещенных электрическом и магнитном полях. Магнетроны служат генераторами незатухающих колебаний в диапазоне от миллиметровых до метровых волн.

Устройство. Анодный блок многорезонаторного магнетрона (рис. 5-1) представляет собой невысокий медный цилиндр с рядом отверстий, параллельных оси цилиндра. Вместе со щелями, соединяющими эти отверстия с центральным, они образуют объемные резонаторы. Таким образом, анодный блок представляет собой систему связанных контуров. Часть анодного блока, заключенная между двумя соседними щелями, называется сегментом. В центральном отверстии расположен катод в виде цилиндра, боковая поверхность которого покрыта оксидным слоем. Пространство между катодом и анодным блоком называется пространством взаимодействия. Здесь поток электронов, движущихся от катода к аноду, взаимодействует с переменными электрическими полями, сконцентрированными вблизи щелей колебательных систем. В одном из резонаторов имеется петля связи, с помощью которой энергия высокочастотных колебаний отводится из магнетрона. Как правило, анодный блок магнетрона заземляется а катоду сообщается достаточно высокий отрицательный потенциал.

Рис. 5-1. Устройство многорезонаторного магнетрона. 1 - анодный блок; 2 - катод; 3 - резонатор; 4 - сегмент; 5 - петля связи

Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, образуемое постоянным магнитом, полюсы которого находятся вблизи торцовых поверхностей анодного блока. Поэтому движение электронов в пространстве взаимодействия подобно движению электронов в системе цилиндрических электродов, помещенной в осевое магнитное поле (рис. 4-5). Однако траектории электронов в магнетроне более сложные, так как, помимо постоянных электрического и магнитного полей, в пространстве взаимодействия имеется переменное электрическое поле, влияющее на движение электронов.

Принцип действия. Механизм возникновения незатухающих колебаний в магнетроне такой же, как и в любом автогенераторе. Начальные колебания в резонаторах магнетрона возникают в результате флуктуации электронного потока. Частота этих колебаний в общем случае несколько отличается от собственной резонансной частоты колебательных систем, так как анодный блок магнетрона образует систему сложно связанных контуров. Колебания поддерживаются за счет энергии источника постоянного напряжения анод - катод, которая с помощью электронного потока, ускоряемого постоянным электрическим полем и взаимодействующего с переменным электрическим полем вблизи щелей резонаторов, передается полю волны. Такую направленную передачу энергии можно осуществить, как известно, если электронный поток взаимодействует с переменным электрическим полем определенной фазы. Для этого электронный поток должен быть сгруппирован в сгустки, время прохождения которых вблизи щели резонатора совпадало бы со временем существования там поля в нужной фазе.

Движение электронов от катода к аноду в магнетроне происходит не во всех азимутальных направлениях равномерно. Потоки электронов к аноду создаются лишь в некоторых областях пространства взаимодействия, образуя так называемые электронные спицы (рис. 5-2, а). Число спиц зависит от характера высокочастотных колебаний и в наиболее употребительном режиме работы магнетрона равно половине числа резонаторов. Электроны в спицах перемещаются к аноду по сложным петлеобразным траекториям, так как характер их движения определяется суммарным воздействием постоянного и переменного электрических полей и постоянного магнитного поля.

Рис. 5-2. Электронные спицы в магнетроне. а - расположение электронных спиц; б - взаимодействие спицы с электрическим полем резонатора

Спицы образуются вблизи участков катода, лежащих против тех сегментов анода, которые в данный момент оказываются благодаря наложению переменного электрического поля заряженными до более положительного потенциала (рис. 5-2, б). Так как с изменением фазы колебаний меняются знаки заряда на сегментах анода, то изменяются и участки катода, вблизи которых формируются спицы. Спицы как бы вращаются в пространстве взаимодействия со скоростью, зависящей от частоты колебаний и фазовых соотношений для полей двух соседних резонаторов.

Скорость вращения спиц такова, что моменты прохождения электронов вблизи щелей резонаторов всегда совпадают с моментами существования там нужной фазы поля. Иначе говоря, вращение спиц синхронизируется с изменением фазы высокочастотных колебаний.

При сложном движении в спице от катода к аноду электроны на каждом витке теряют часть своей потенциальной энергии, которая и передается полю.

Электроны, отдавшие свою энергию полю, непрерывно уходят на анод, а спицы пополняются новыми электронами, эмиттированными катодом. Таков в общих чертах принцип работы многорезонаторного магнетрона.

5-2. Виды колебаний в магнетроне

Возможные виды колебаний. Как видно из рис. 5-1, анодный блок магнетрона представляет собой цепочку из N объемных резонаторов, свернутую в кольцо. Вообще говоря, в такой системе связанных резонаторов может возникнуть N различных видов колебаний. Однако в замкнутой системе из N резонаторов существуют только те колебания, для которых суммарная разность фаз при обходе по окружности анодного блока равна:

где n = 0, 1, 2, ..., N определяет число целых периодов высокочастотного колебания, укладывающихся вдоль окружности анодного блока.

Иначе говоря, если волна в некоторой точке анодного блока характеризовалась фазой ψ, то при распространении вдоль цепочки резонаторов она должна возвратиться в эту точку с той же фазой. В противном случае в результате интерференции волна уничтожится.

Разность фаз колебаний в соседних резонаторах, следовательно, должна быть равна:

Из формулы (5-2) легко видеть, что при целочисленных значениях n, больших N, возможные величины фазовых сдвигов будут повторять величины φ для 0 < n < N, т. е. число возможных видов колебаний действительно не превышает N. При подсчете возможных значений φ по формуле (5-2) можно убедиться, кроме того, что сдвигу фаз колебаний в соседних резонаторах при любом значении n в пределах от нуля до N/2, кроме n = N/2, соответствует такой же по величине фазовый сдвиг, что и при значениях n от N/2 до N, но с обратным знаком. Так, например, при N = 8 и n = 1 φ = π/4, а при n = 7 φ = 7/4ππ = - π/4. Иначе говоря, при любом виде колебаний, исключая n = N/2, существует так называемый дублет. Вследствие этого для формулы (5-2) возможные значения n ограничиваются пределами: n = 0, 1, 2, ..., N/2.

Основным видом колебаний в многорезонаторном магнетроне являются π-колебания или противофазные колебания, соответствующие n = N/2 и φ = π. Этот вид колебаний не имеет дублета и, как будет показано, возникает при меньших, по сравнению с другими видами, анодных напряжениях и магнитных полях.

Колебания π-вида, как это видно из (5-2), могут возникнуть в магнетроне лишь при четном числе N. Поэтому анодные блоки многорезонаторных магнетронов обязательно содержат четное число резонаторов.

Поля в магнетроне. На рис. 5-3 показаны картины переменных электрического и магнитного полей в магнетроне при разных значениях n. Для наглядности анодный блок магнетрона изображен в развернутом виде (рис. 5-3, а). Ниже на развертках анодного блока пунктиром показаны силовые линии переменного магнитного поля для момента времени, соответствующего максимуму тока в контуре. Под развертками блока изображены кривые распределения высокочастотного потенциала вдоль поверхности анода. Силовые линии переменного электрического поля, когда ток в контуре равен нулю, показаны слева.

Рис. 5-3. Высокочастотные поля в магнетроне. а - развертка анодного блока; б-е - картины полей при различных значениях n

5-3. Взаимодействие электронов с переменным электрическим полем

Образование электронных спиц. Образование переменного по плотности электронного потока - электронных спиц - в многорезонаторном магнетроне осуществляется, как и во всех приборах типа М, за счет взаимодействия электронов с переменным неоднородным электрическим полем. Физические процессы, лежащие в основе такого взаимодействия, рассмотренные в гл. 4, справедливы и для многорезонаторного магнетрона.

В отсутствие колебаний в магнетроне электрон, покинувший катод с нулевой скоростью, движется по эпициклоидальной траектории (рис. 5-4, а). При возникновении колебаний вблизи щелей резонаторов образуются неоднородные электрические поля.

Рис. 5-4. Картины неоднородного электрического поля и траектории электронов. а - в отсутствие колебаний; б - траектория нерабочего электрона; в - траектория 'рабочего' электрона

В отличие от рассмотренного в гл. 4 случая плоских электродов, движение электронов в магнетроне следует рассматривать с учетом его взаимодействия с радиальной и тангенциальной составляющими переменного электрического поля. Однако общая картина от этого не меняется. Воздействие радиальной составляющей поля аналогично влиянию поперечной составляющей в случае плоских электродов, а тангенциальная составляющая поля действует так же, как продольная. На рис. 5-4, б и в показаны картины неоднородного электрического поля, составляющие векторов напряженностей в различных точках поля и характер движения электронов для двух различных моментов времени, разделенных интервалом, равным половине периода колебаний.

В первом случае электрон, вылетевший с поверхности катода, описывая дугу эпициклоиды, оказывается в поле резонатора в тот момент, когда вектор тангенциальной составляющей поля противоположен по направлению вектору скорости электрона в верхней части витка. Суммарное электрическое поле в точке 5 характеризуется вектором ε_σ5, отклоненным от радиального направления влево. В результате поверхность качения образующей окружности искривляется и электрон, описав виток, оказывается у поверхности катода с некоторым запасом энергии, которую он и рассеивает в виде тепла при соударении с катодом. Таким образом, большинство электронов, вылетающих с катода против резонаторов, поле которых характеризуется рассмотренной фазой, удаляются на катод. Исключение могут составить лишь те электроны, начальная скорость которых позволит им остаться в пространстве взаимодействия. Взаимодействие этих электронов с радиальной составляющей приводит к уменьшению плотности электронного потока в этой области поля. В самом деле, скорость электрона в точке 4 уменьшается, а в точке 6 - увеличивается относительно скорости центрального электрона, находящегося в точке 5 (см. § 4-2). Происходит разгруппирование электронов.

Иной характер имеет движение электронов, попадающих в противоположную фазу поля (рис. 5-4, в). Под действием радиальной составляющей электрон в точке 1 приобретает дополнительную скорость в тангенциальном направлении, а скорость электрона в точке 3 уменьшается. Электроны группируются в сгусток вокруг электрона, находящегося в точке 2. Происходит фазовая фокусировка электронного потока.

В результате сложения вектора тангенциальной составляющей неоднородного поля ε_τ2 и вектора ε постоянного электрического поля суммарный вектор ε_σ2 отклоняется вправо. Поверхность качения образующей окружности поднимается над поверхностью катода. Траекторию движения электрона можно приближенно представить как траекторию точки окружности, катящейся по некоторой криволинейной поверхности, уходящей от катода к аноду. Число "петель" в траектории и "крутизна" образующей поверхности зависят от величины анодного напряжения, магнитной индукции, а также от интенсивности переменного электрического поля.

Итак, на анод, описывая петлеобразные траектории, устремляются лишь электроны, покидающие те участки катода, против которых в данный момент времени существует тормозящее электроны переменное электрическое поле: в магнетроне образуются электронные спицы. Число таких спиц при противофазном виде колебаний равно половине числа резонаторов (см. рис. 5-2, а).

Движение электронных спиц. Поскольку через каждые полпериода знаки высокочастотных потенциалов на сегментах меняются на обратные (неоднородное поле как бы вращается вокруг оси прибора), перемещаются вслед за полем и электронные спицы. Для обеспечения нужной угловой скорости вращения спиц требуется, как мы увидим далее, определенная величина разности потенциалов между анодом и катодом. Такое синхронное с перемещением поля вращение электронных спиц обеспечивает не только непрерывное уплотнение электронов в спицах - их фазовую фокусировку, но и необходимый режим обмена энергией между электронами и сверхвысокочастотным полем.

Передача энергии от электронов полю. Электроны, образующие спицу одновременно с вращательным движением, описывая витки эпициклоиды, поднимаются от катода и постепенно уходят на анод. По мере вращения спица пополняется электронами с новых участков катода. Таким образом, электроны в спицах непрерывно перемещаются в радиальном направлении от катода к аноду. Эта составляющая движения электронов сопровождается уменьшением их потенциальной энергии.

Энергия электронов передается электромагнитному полю, взаимодействие с электрической составляющей которого и служит причиной рассмотренного движения электронов.

Для обеспечения радиального перемещения электронов, как и для вращательного движения спиц, требуются определенные величины разности потенциалов анод - катод и напряженности магнитного поля.

5-4. Рабочий режим магнетрона

В предыдущих параграфах отмечалось, что для обеспечения движения рабочих электронов по петлеобразным траекториям, их перемещения в радиальном направлении и получения нужной угловой скорости вращения спиц требуются определенные соотношения между напряженностью ε постоянного электрического поля и магнитной индукцией В. Выбор соответствующих величин ε и В и определяет рабочий режим магнетрона.

Парабола критического режима. Если анодное напряжение магнетрона больше критического, то условия передачи электронами энергии высокочастотному полю не выполняются. В самом деле, при U_а > U_а.кр электроны, двигаясь по криволинейным траекториям (см. рис. 4-7), устремляются к аноду. При этом высокочастотные колебания, даже если они и возникли, не могут поддерживаться за счет энергии электронов, которые не описывают петель и практически не взаимодействуют с переменным электрическим полем вблизи щелей резонаторов. Поэтому рабочие значения анодных напряжений должны лежать ниже параболы критического режима (рис. 4-6), которая описывается уравнением (4-38).

Потенциал синхронизации. Однако для нормальной работы магнетрона недостаточно движения электронов по петлеобразным траекториям. Необходимо, кроме того, добиться вращения спиц с определенной угловой частотой, синхронной с изменением фазы сверхвысокочастотных колебаний. Условие синхронизма может выполняться при различных значениях угловой скорости вращения спиц. В самом деле, при колебаниях вида π время t_c движения спицы между двумя соседними резонаторами может равняться не только половине периода, но и любому целому числу полупериодов:

где p = 0, 1, 2, 3 ...

Графики движения электронов для колебаний π-вида при различных значениях р изображены пунктирными прямыми на рис. 5-5.

Рис. 5-5. Картина переменного электрического поля и графики движения электронов при колебаниях π-вида

На графике по оси ординат отложено время и под резверткой анодного блока изображены кривые распределения высокочастотного потенциала через каждые четверть периода. В течение всего времени узлы напряжения остаются в середине щелей. Во всех случаях, когда р - целое число, электроны оказываются в тормозящем поле вблизи каждого резонатора. В зависимости от р изменяется лишь угловая скорость ω₀ вращения электронов. Максимальная величина ω₀ соответствует p = 0, когда t_c = T/2.

Для характеристики угловой скорости вращения электронов удобно ввести некоторый параметр k, равный числу периодов, в течение которых электрон проходит мимо всех резонаторов и возвращается к исходной точке. Тогда время движения электрона между соседними резонаторами, выраженное в долях периода Т, определится соотношением

В случае π-колебаний выражение (5-3) принимает вид:

Обобщая это соотношение и для других видов колебаний, получим:

Используя параметр k, нетрудно получить выражение угловой скорости вращения электронов для колебаний любого вида:

где λ = сТ - длина волны колебаний в магнетроне, а c - скорость света.

Для обеспечения угловой скорости вращения необходимо, чтобы электрон, находящийся в спице у поверхности анода, обладал тангенциальной скоростью

Кинетическую энергию в магнетроне электрон приобретает за счет постоянного электрического поля, определяемого разностью потенциалов U_а. У поверхности анода (r = r_а) наибольшее значение энергии электрона равно:

В условиях синхронного движения энергия электрона у поверхности анода должна быть:

Приравнивая (5-9) и (5-10), получим значение анодного напряжения, необходимого для обеспечения синхронного вращения электронов:

Эта величина, называемая потенциалом синхронизации, определяет наименьшее (для заданного k) значение анодного напряжения, при котором возможно синхронное вращение электронных спиц.

Подставляя в (5-11) численные значения всех постоянных и выражая U_c в вольтах, получим:

Это выражение получено в предположении, что электрон движется по окружности, соосной поверхности анода, и с радиусом, близким к величине r_а. В действительности электроны движутся в магнетроне по сложным петлеобразным траекториям и тангенциальная составляющая их скорости зависит как от скорости переносного движения центра образующей окружности, так и от скорости движения самого электрона относительно этого центра.

Пороговое напряжение. Приблизившись к поверхности анода и передав полю значительную часть своей энергии, электрон должен быть удален из пространства взаимодействия. В противном случае такой отработавший, медленно движущийся электрон отстанет от спицы и отберет энергию у переменного поля. Для того чтобы отработавшие электроны попадали на анод, а также для обеспечения необходимой тангенциальной скорости электронов с учетом их движения по петлеобразным кривым требуется анодное напряжение несколько выше потенциала синхронизации U_c.

На электрон, удаленный от центра магнетрона на расстояние r и вращающийся вокруг оси прибора с угловой скоростью ω₀, действуют три силы (рис. 5-6): сила F_e постоянного электрического поля направлена по радиусу к аноду; сила Лоренца F_м, возникающая при пересечении электроном силовых линий магнитного поля, в соответствии с правилом правой руки, направлена к катоду; и, наконец, третья, центробежная сила F_д, совпадает по направлению с силой F_e.

Рис. 5-6. Силы, действующие на электрон

Для того чтобы электрон достиг анода, кинетическая энергия его движения в радиальном направлении должна быть больше нуля и, следовательно, работа сил F_e и F_д должна быть больше или, по крайней мере, равна работе силы F_м.

Из этих соображений легко определить [Л. 2] пороговое напряжение, т. е. величину наименьшего анодного напряжения, при котором отработавшие электроны удаляются на анод:

Подставляя сюда формулу (5-7) для ω₀ и выражая напряжение в вольтах, получим:

Отсюда видно, что для удовлетворения поставленных условий удаления отработавших электронов на анод анодное напряжение должно быть больше потенциала синхронизации, причем если величина U_c не зависит от напряженности магнитного поля, то пороговое напряжение растет пропорционально величине В.

Диаграмма рабочего режима. Итак, мы рассмотрели ряд условий нормальной работы магнетрона и получили уравнения: для критического потенциала (4-38), для потенциала синхронизации (5-12) и для порогового анодного напряжения (5-14).

Все три эти зависимости изображены на рис. 5-7. Парабола критического режима отделяет на плоскости В - U_a нерабочую область (заштрихована). При значениях В и U_а для любой точки в этой области электроны в магнетроне не описывают петлеобразных траекторий и колебания отсутствуют. Величина потенциала синхронизации (5-12) не зависит от В, но изменяется в зависимости от к. На рис. 5-7 линия U_c проведена лишь для режима π-колебаний (n = 4; р = 0; N = 8). Для других k = n (p = 0) потенциал синхронизации отмечен точками на параболе критического режима.

Рис. 5-7. Диаграмма рабочих режимов магнетрона

Линия порогового напряжения (5-14) при различных k(p = 0) изображаются на плоскости В - U_а в виде прямых, касательных к параболе критического режима в точках, соответствующих значению потенциала синхронизации для данного вида колебаний. В справедливости этого нетрудно убедиться, если в выражение (5-14) подставить значение критического потенциала (4-38).

Таким образом, для колебаний π-вида нерабочей областью является также часть плоскости, лежащая ниже прямой порогового напряжения (k = 4). При этих значениях U_a и В либо не выполняется условие синхронного движения спиц (U_а < U_с), либо отработавшие электроны не попадают на анод (U_с < U_а < U_n). Весьма существенным является то обстоятельство, что для возбуждения π-колебаний требуется меньшее анодное напряжение по сравнению с величинами U_а, необходимыми для колебаний другого вида. Многорезонаторные магнетроны обычно работают в импульсном режиме, и амплитуда отрицательного импульсного напряжения, подводимого к катоду, может быть выбрана такой, чтобы в магнетроне были созданы условия лишь для возбуждения колебаний π-вида. Кроме того, с укорочением длины волны генерируемых колебаний требуется увеличение напряженности магнитного поля, что встречает серьезные затруднения. Возможность работы с пониженными анодными напряжениями, естественно, облегчает эту задачу, так как при меньших U_a требуются и меньшие величины В. Следует также отметить, что магнетроны обычно работают при анодных напряжениях, превышающих величину U_п. Объясняется это тем, что при Ua, близких к пороговому напряжению, электронный к. п. д. магнетрона очень мал.

5-5. Анодный блок магнетрона

Эквивалентная схема анодного блока. Наиболее употребительные формы резонаторов магнетронов показаны на рис. 5-8, где, помимо уже известных нам, изображены также резонаторы, образованные короткозамкнутыми отрезками волноводов. Однако при любой конфигурации резонаторов анодный блок представляет собой систему сложно связанных контуров. Контуры магнетрона прежде всего связаны между собой кондуктивно, так как по поверхности сегмента анодного блока протекают токи соседних резонаторов. Помимо этого, между соседними резонаторами существует также емкостная связь через емкости, образованные сегментами анодного блока и поверхностью катода. И, наконец, соседние резонаторы связаны между собой индуктивно (силовые линии переменного магнитного поля в резонаторе замыкаются через соседние отверстия).

Рис. 5-8. Различные формы резонаторов анодного блока

Преобладание того или иного вида связи определяется конструкцией анодного блока и, в частности, его высотой h. При малой величине h преобладает индуктивная связь между отдельными резонаторами, а с увеличением высоты h анодного блока все большую роль играет связь емкостная. Одна из возможных, эквивалентных схем анодного блока магнетрона с большим h представлена на рис. 5-9. Величины L₀ и С₀ - эквивалентные индуктивность и емкость резонатора соответственно. Резонаторы связаны между собой кондуктивно, а также через емкости С_а-к анод - катод.

Рис. 5-9. Эквивалентная схема анодного блока

Анализ такой эквивалентной схемы показывает [Л. 2], что длина волны генерируемых колебаний зависит как от реактивных параметров, так и от числа n:

Отношение С_а-к/С₀ в магнетронах обычно равно 0,1-0,4.

Зависимость (5-15) для восьмирезонаторного магнетрона показана на рис. 5-10 (кривая 1). Там же нанесена аналогичная зависимость (кривая 2), но для случая преобладания индуктивной связи в магнетроне. Из кривых видно, что колебания вида я незначительно отличаются по длине волны от колебаний соседних видов. С увеличением числа резонаторов, а следовательно, и числа n это отличие становится все меньше. Кроме того, вследствие малого отличия частоты π-колебаний от колебаний соседних видов работа магнетронного генератора может быть неустойчивой.

Рис. 5-10. Кривые изменения длины волны в зависимости от величины n. 1 - для анодного блока без связок в случае преобладания емкостной связи; 2 - для анодного блока без связок в случае преобладания индуктивной связи; 3 и 4 - для анодного блока со связками

В результате изменения режима питания, характера нагрузки и других причин в магнетроне могут вместо π-колебаний возникнуть колебания другого вида (скачок частоты). Возможно также одновременное существование колебаний вида π и соседнего вида колебаний. Распределение высокочастотного поля при этом нарушается, условие синхронизма выполняется плохо, падают мощность и к. п. д. магнетрона. Следовательно, нельзя увеличивать число резонаторов с целью повышения мощности колебаний, что особенно важно на более коротких волнах.

Разделение видов колебаний с помощью связок. Для устранения нестабильностей в магнетронах принимаются специальные меры. Хороший эффект дают специальные связки, имеющие в простейшем случае форму колец (рис. 5-11). Одно из колец приваривается к четырем четным сегментам анодного блока, а другое - к четырем нечетным. Связки вносят в колебательную систему магнетрона дополнительные емкость и индуктивность. Вносимая емкость определяется не только размерами самих связок и их расстоянием от поверхности анодного блока, но и разностью высокочастотных потенциалов между двумя кольцами. Индуктивность зависит как от размеров самих связок, так и от токов, протекающих по связкам.

Рис. 5-11. Различные виды связок анодного блока

При противофазном виде колебаний каждое из колец соединяется с сегментами блока, находящимися под одинаковым потенциалом. Таким образом, разность фаз высокочастотных потенциалов двух связывающих колец равна π и емкостное действие связок весьма существенно. В то же время индуктивный эффект связок при π-колебаниях минимален, поскольку каждое кольцо приваривается к сегментам с одинаковым потенциалом, и уравнительные токи в связках близки к нулю. Следовательно, результирующее влияние связок при π-колебаниях имеет емкостный характер. Емкость, вносимая связками в резонаторы, параллельна их собственной емкости. В результате суммарная емкость увеличивается и длина волны при π-колебаниях возрастает.

При колебаниях других видов высокочастотные потенциалы сегментов, соединенных с каждым из колец, неодинаковы, и поэтому средняя разность потенциалов между связками меньше, чем при противофазных колебаниях. Вследствие этого вносимая связками емкость уменьшается, а вносимая индуктивность увеличивается, так как вследствие различия высокочастотных потенциалов двух сегментов, присоединенных к одному кольцу, в нем протекают уравнительные токи. Результирующее влияние связок носит индуктивный характер. Вносимая индуктивность параллельна собственной идуктивности резонаторов; суммарная индуктивность уменьшается, уменьшается и длина волны колебаний.

Изменение длины волны колебаний от величины n при использовании различных видов связок показано на рис. 5-10 (кривая 5 - для связок рис. 5-11, а, а кривая 4 - для связок рис. 5-11, б).

Из сравнения этих кривых с кривыми 1 и 2 видно, что применение связок позволяет значительно увеличить разность частот π-колебаний и соседнего с ним вида. Для устойчивой работы магнетрона необходимо, чтобы частота колебаний вида n = N/2-1 отличалась от частоты противофазных колебаний не менее чем на 4%. Обычно добиваются, чтобы разнос частот был порядка 10-15%.

Повышению устойчивости работы магнетрона на противофазном виде колебаний способствует также применение асимметричных связок, например колец, имеющих разрыв. Применение асимметричных связок нарушает ориентацию высокочастотных полей, возникающих при колебаниях, отличных от противофазного, и, таким образом, еще больше затрудняет их появление. Следует также отметить, что увеличение длины волны колебаний π-вида вследствие применения связок приводит к соответствующему понижению порогового напряжения, что сопровождается увеличением мощности генерируемых колебаний и к. п. д. магнетрона.

Применение связок имеет и некоторые недостатки. Так, например, высокочастотное поле, образуемое связками и не зависящее от азимутального угла, искажает в некоторой степени электрическое поле в пространстве взаимодействия и ухудшает работу магнетрона. Кроме того, введение связок увеличивает высокочастотные потери, величина которых растет с укорочением длины волны генерируемых колебаний. Для исключения этого влияния связки экранируют, размещая их в специальных канавках в анодном блоке.

Разнорезонаторный анодный блок. В магнетронах, работающих на волнах λ = 3 см и короче, используют другой метод разделения частот - разнорезонаторный анодный блок.

В разнорезонаторном анодном блоке размеры каждого второго резонатора несколько увеличиваются по сравнению с размерами в обычном анодном блоке; размеры же второй половины резонаторов уменьшаются (рис. 5-12). Получаются как бы две системы резонаторов, одна из которых настроена на короткую волну, а другая - на более длинную.

Рис. 5-12. Разнорезонаторные анодные блоки

Для определения в разнорезонаторной системе длин волн колебаний, соответствующих различным значениям n, можно воспользоваться формулой (5-15), считая, что анодный блок состоит из двух различных систем: больших (h_б) и малых (h_м) резонаторов. При вычислении этих длин волн вместо λ₀ нужно подставлять резонансную длину волны большого или малого резонатора соответственно. Но так как число одинаковых резонаторов в системе вдвое меньше общего числа N резонаторов, то для каждой системы одинаковых резонаторов вводят свое число n', величина которого не может быть больше N/4.

На рис. 5-13 показано (кривая 3) изменение длины волны в зависимости от величины n в разнорезонаторном магнетроне (N = 18). Верхняя ветвь этой кривой, вплоть до n = 4, соответствует первой - длинноволновой группе колебаний при нулевом фазовом сдвиге между колебаниями в больших и малых резонаторах. Характер изменения длины волны здесь такой же, как и для обычного магнетрона без связок (кривая 1): с увеличением n длина волны уменьшается.

Рис. 5-13. Кривые изменения длины волны в зависимости от величины n. 1 - для анодного блока без связок; 2 - для анодного блока со связками; 3 - для разнорезонаторного анодного блока

Нижняя ветвь кривой от n = 5 до n = N/2 = 9 соответствует второй - коротковолновой группе колебаний. Здесь с возрастанием n длина волны уменьшается. На рис. 5-13 приведена для сравнения также кривая 2 для магнетрона со связками.

Разнос частот при разных n зависит от соотношения h_б/h_м (рис. 5-12), возрастая при его увеличении. Однако при значительных величинах h_б/h_м усиливается влияние составляющей высокочастотного поля, не зависящей от азимутального угла и ухудшающей взаимодействие электронного потока с высокочастотным полем.

Преимущество разнорезонаторной системы перед анодным блоком со связками заключается прежде всего в том, что на величину разделения частот не влияет высота анодного блока. Кроме того, высокочастотные потери в разнорезонаторном анодном блоке значительно меньше, что позволяет повысить к. п. д. магнетрона.

5-6. Параметры и характеристики магнетронов

Многорезонаторные магнетроны, как и другие электронные приборы, характеризуются рядом параметров, обусловливающих эксплуатационный, предельный, климатический и другие режимы их работы.

Параметры электрического режима. Справочными данными, как правило, оговариваются: величины напряжения U_н или тока I_н накала и их допустимые отклонения, не превышающие обычно ±10%; номинальное анодное напряжение U_а и допустимый верхний предел этой величины; номинальное и допустимые верхнее и нижнее значения тока I_а; напряженность или индукция магнитного поля. Для магнетронов, работающих в импульсном режиме, в справочнике указывают номинальные и допустимые величины длительности импульсов анодного напряжения, их скважности и крутизны фронтов - величин, в значительной степени определяющих спектр генерируемых магнетроном колебаний.

Мощность генерируемых колебаний. Многорезонаторные магнетроны используются обычно в качестве генераторов мощных СВЧ колебаний в импульсном или непрерывном режиме. Поэтому важнейший параметр этих приборов - величина генерируемой мощности

где η - полный к. п. д. магнетрона. Таким образом, величина Р_вых зависит не только от электрического режима работы магнетрона, но и от другого важнейшего параметра - к. п. д. прибора.

Коэффициент полезного действия магнетрона определяется отношением мощности сверхвысокочастотных колебаний к мощности, подводимой к магнетрону от источника постоянного напряжения в анодной цепи.

Электроны, получая энергию от постоянного электрического поля, не полностью передают ее высокочастотному полю резонаторов. Некоторые электроны вообще не участвуют в механизме передачи энергии, так как в самом начале, получив дополнительное ускорение, возвращаются обратно на катод и нагревают его, отдавая при соударении с его поверхностью оставшуюся энергию. Рабочие электроны, образующие спицы и многократно взаимодействующие с высокочастотным полем, в большинстве случаев достигают анода, не израсходовав полностью своей энергии, и передают ее остаток аноду, нагревая его при соударении. Таким образом, часть энергии, полученной электронами от постоянного электрического поля, расходуется бесполезно. Этот расход энергии называют электронными потерями. Отношение энергии, полученной высокочастотным полем от электронного потока, к полной энергии, сообщенной электронам постоянным электрическим полем, называется электронным к. п. д. магнетрона η_эл. Эта величина характеризует эффективность взаимодействия электронного потока с переменным электрическим полем. Энергия высокочастотных колебаний расходуется также и в самих резонаторах (на восполнение потерь, обусловленных активным сопротивлением), в устройствах вывода энергии, в диэлектриках и т. п. Эти потери определяются к. п. д. колебательной системы η_к. Коэффициент полезного действия магнетрона, таким образом, равен:

Величина электронного к. п. д. магнетрона существенным образом зависит от режима его работы. Для определения η_эл необходимо знать не только энергию, получаемую электроном от постоянного электрического поля, но также величину неизрасходованной электроном энергии (кинетическую энергию, с которой электрон достигает анода). Для выполнения условий синхронизма электрон должен двигаться у поверхности анода со скоростью, не меньшей U_c. Поэтому кинетическая энергия электрона, достигающего анода, не может быть меньше eU_c. Следовательно, электронный к. п. д. магнетрона равен:

Однако рассчитанный по этой формуле электронный к. п. д. оказывается выше экспериментальной величины η_эл. Объясняется это тем, что кинетическая энергия электрона, попадающего на анод, в действительности значительно больше величины eU_c. Электроны движутся в пространстве взаимодействия, описывая петлеобразные траектории. Если анодное напряжение близко к пороговому напряжению, то электроны медленно поднимаются от катода к аноду и попадают на анод, находясь, как правило, в вершине "петли". Если тангенциальная скорость движения оси образующей окружности равна (из условия синхронизма) U_с, то тангенциальная скорость движения электрона относительно катода примерно в 2 раза больше, а его кинетическая энергия - в 4 раза больше принятой величины. В рабочем режиме анодное напряжение в магнетроне обычно больше величины U_п и электроны поднимаются к аноду по более крутой петлеобразной траектории. Они могут достигать анода как на вершине петли, так и у ее начала, где скорость электрона близка к нулю. Поэтому среднее значение кинетической энергии у поверхности примерно в 2 раза больше величины eU_c. Величина электронного к. п. д. в современных многорезонаторных магнетронах достигает величины 50-70% и более.

Рабочая длина волны λ₀ или рабочая частота колебаний ω₀ определяется, как это было показано в § 5-5, параметрами резонаторов и конструкцией анодного блока. В многорезонаторных магнетронах обычной конструкции изменение рабочей частоты в небольших пределах может быть получено с помощью специальных устройств, изменяющих емкость или индуктивность резонаторов (см далее § 5-7).

При конструировании генераторных устройств на многорезонаторных магнетронах особое внимание уделяется стабилизации частоты колебаний. С этой целью, как уже было сказано выше, используются связки, применяются разно-резонаторные анодные блоки и др. Однако рабочая частота магнетрона существенным образом зависит от характера нагрузки и способа ее подключения к магнетрону. Степень изменения частоты под влиянием нагрузки характеризуют такими параметрами, как электронное смещение частоты, затягивание частоты и др. Наиболее полно эти явления отображаются так называемой нагрузочной характеристикой магнетрона. Подробно работа магнетрона в реальных условиях рассматривается в курсе "Радиопередающие устройства", и поэтому обсуждение этих вопросов выходит за рамки настоящей книги.

Рабочие характеристики магнетронов. В качестве рабочих характеристик магнетронов приняты зависимости U_a = f(I_a) при постоянных величинах В, Р_вых, η и ω₀. Обычно линии постоянных значений В, Р_вых и η изображаются на одном графике в координатах I_а - U_a. Эти семейства кривых и называют рабочими характеристиками многорезонаторных магнетронов.

На рис. 5-14 показаны рабочие характеристики магнетрона со следующими параметрами: рабочий режим - импульсный, число резонаторов N = 8, радиус катода r_к = 0,3 см, радиус анода r_а = 0,8 см, высота анодного блока h = 2 см, частота (в режиме π-колебаний) f = 2800 Мгц, рабочее анодное напряжение U_а = 16 кв, напряженность магнитного поля в рабочем режиме H = 128000 а/м, рабочий анодный ток (в импульсе) I_а = 20 а, к. п. д. η = 42%, генерируемая мощность (в импульсе) Р_вых = 35 квт.

Рис. 5-14. Рабочие характеристики магнетрона

При малых анодных напряжениях и соответственно меньших В к. п. д. магнетрона невелик. Поэтому использование низких анодных напряжений не имеет смысла. Значительное увеличение анодного напряжения, хотя и сопровождается некоторым ростом к. п. д. и генерируемой мощности, требует, кроме того, повышения напряженности магнитного поля. Работа с очень большими значениями U_a и В встречает серьезные технические затруднения; они не оправдываются повышением к. п. д., который при увеличении U_a растет сначала быстро, а затем медленно.

При малых анодных токах магнетрон работает неустойчиво. Большая часть электронов возвращается на катод, к. п. д. и генерируемая мощность невелеки. Чрезмерное увеличение тока также нежелательно, так как при этом сильно разогревается анодный блок, катод работает с перегрузкой и требуется дальнейшее повышение U_a.

Вследствие указанных причин для каждого типа магнетрона существуют рабочие пределы изменений U_a и I_а. Другие параметры (В, η, Р_вых) при выбранных значениях анодного напряжения и тока однозначно определяются рабочими характеристиками.

Рассмотрим семейство кривых В = const. При заданной величине В и при повышении U_a анодный ток вначале мал и растет медленно. Эта часть кривых соответствует анодным напряжениям ниже порогового. Большинство электронов не попадает на анод, а под действием силы F_м возвращаются на катод. При дальнейшем увеличении U_a анодный ток резко увеличивается и кривые U_a = f(I_a) представляют собой отрезки почти прямых линий, образующих с осью абсцисс небольшой угол. Эта рабочая часть характеристик соответствует значениям U_a > U_п.

С увеличением В для получения той же величины I_a требуются большие значения анодного напряжения, причем, как это видно из рис. 5-14, одинаковые приращения В требуют и одинаковых приращений U_a (линии В = const при равных приращениях В расположены на одном и том же расстоянии друг от друга). Иными словами, анодное напряжение пропорционально напряженности магнитного поля, что полностью согласуется с формулой (5-14) для порогового напряжения. Величину U_п здесь легко определить графически, продолжив линейную часть характеристик B = const до пересечения с осью ординат.

Кривые второго семейства (P_выx = const) имеют гиперболический характер. Колебательная мощность в магнетроне определяется выражением Р_вых = ηI_аU_а. Коэффициент полезного действия меняется в зависимости от I_а и U_a. Поэтому линии P_выx = const не являются правильными гиперболами.

На рис. 5-14 видно, что I_а = const и при увеличении U_a к. п. д. магнетрона увеличивается. Это объясняется главным образом тем, что увеличение U_a и В сопровождается уменьшением радиуса образующей окружности и, следовательно снижением скорости, с которой электроны попадают на анод. С увеличением анодного тока (при В = const) η сначала несколько увеличивается, а затем снижается.

Небольшая величина η при очень малых анодных токах объясняется большими электронными потерями. Кроме того, вследствие малой интенсивности колебаний в резонаторах фокусирующее действие переменного электрического поля незначительно. Электроны плохо группируются в спицы, и условие синхронизма выполняется лишь для небольшой части электронов. При некотором увеличении I_а к. п. д. возрастает, так как влияние указанных причин ослабляется. Дальнейшее увеличение тока сопровождается падением η за счет увеличения радиальной составляющей кинетической энергии у анода, а также вследствие взаимного расталкивания электронов в спицах.

5-7. Особенности конструкции многорезонаторных магнетронов

Условия работы магнетрона отличаются от условий работы не только обычных электронных ламп, но и других СВЧ приборов. Значительная часть электронов, эмиттируемых катодом, возвращается обратно. Эти электроны, попадая на катод с некоторым запасом кинетической энергии, разогревают его и вызывают с поверхности катода дополнительную вторичную эмиссию. На катоде выделяется около 5% всей мощности, рассеиваемой в магнетроне. Поток электронов, образуемый за счет вторичной эмиссии, составляет значительную часть электронов потока, эмиттируемого катодом. Величина вторично-эмиссионного тока такова, что магнетроны обычно продолжают нормально работать, если после их включения разомкнуть цепь накала. Поэтому катод магнетрона должен обеспечить значительную термоэлектронную эмиссию только в момент его включения. К особенностям работы катода в магнетроне следует отнести также сильное электрическое поле, так как обычно потенциал анода равен нескольким киловольтам, а в мощных магнетронах - десяткам киловольт, в то время как расстояния анод - катод не превышают нескольких сантиметров.

Катод в магнетроне должен обеспечить термоэмиссионный ток большой плотности. Он должен, кроме того, быть стойким к перегреву и действию сильных электрических полей, а также сохранять постоянство эмиссии во времени.

Наиболее часто в магнетронах используются подогревные оксидные катоды, которые позволяют получить плотность тока до 40 а/см² и способны работать в электрических полях до 70 кв/см. Коэффициент вторичной эмиссии этих катодов достигает нескольких десятков. В магнетронах применяют также вольфрамо-ториевые катоды, спекаемые из порошка, содержащего 96% вольфрама и 4% окиси тория. Эти катоды очень прочны, стойки к отравлению газами и после искрения восстанавливают первоначальную эмиссию. Камерные металлогубчатые и пропитанные катоды могут обеспечить ток плотностью до 80 а/см² и устойчиво работают при напряжениях до 20 кв.

Важную роль в работе магнетрона играет постоянное магнитное поле. Для получения высокого к. п. д. индукция магнитного поля должна быть порядка 0,3-0,6 вб/м². Такое сильное магнитное поле создают мощные постоянные магниты специальной формы (рис. 5-15). В тех случаях, когда требуются особенно сильные магнитные поля, применяются пакетные магнетроны, у которых полюсные наконечники из ферромагнитного материала служат торцовыми стенками анодного блока. В пакетных магнетронах значительно сокращен воздушный промежуток между полюсами, что позволяет повысить напряженность магнитного поля или же уменьшить вес и габариты постоянного магнита, который обычно значительно тяжелее и больше по размерам самого магнетрона.

Рис. 5-15. Внешние постоянные магниты магнетрона

Частоту колебаний в магнетроне можно перестроить за счет изменения индуктивности или емкости колебательной системы с помощью металлических штырей - плунжеров, погружаемых в отверстия резонаторов, либо с помощью специальных металлических колец, расположенных в пазах на торцовой поверхности блока. Оба эти метода позволяют изменять частоту магнетрона не более чем на 5-7% от резонансной частоты. При большем отклонении частоты от среднего значения ухудшаются условия отделения противофазного вида колебаний от соседних видов.

5-8. Митрон

Определение. Митроном называют перестраиваемый по частоте прибор, работающий по принципу многорезонаторного магнетрона, но отличающийся от него устройством колебательной системы и эмиттирующего электроны катода.

Устройство митрона схематически показано на рис. 5-16, а. Анодный блок представляет собой систему (рис. 5-16, б) в виде двух дисков с рядом направленных навстречу друг другу штырей (сегментов). В центре пространства взаимодействия помещается металлический цилиндр, не предназначенный, в отличие от многорезонаторного магнетрона, для эмиссии электронов. Этот цилиндр, называемый холодным катодом или отрицательным электродом, вместе со штырями образует колебательную систему. Катод, в виде вольфрамовой спирали, эмиттирующий электроны, вынесен из пространства взаимодействия и окружен управляющим электродом в виде усеченного конуса с отверстием посредине. С помощью дисковых выводов анодный блок соединяется с внешней колебательной системой, конфигурация которой может быть различной. На рис. 5-16, в показана колебательная система в виде короткозамкнутого отрезка волновода, длина которого может изменяться с помощью короткозамыкающего поршня. Другая часть волновода представляет собой трансформатор волнового сопротивления, через который к митрону подключается фидер, идущий к нагрузке.

Рис. 5-16. Устройство (а), анодный блок (б) и схема включения (в) митрона в колебательную систему. 1 - штыри замедляющей системы; 2 - дисковые выводы; 3 - катод; 4 - управляющий электрод; 5 - холодный катод; 6 - вывод холодного катода; 7 - керамические цилиндры; 8 - магниты

Дисковые выводы холодного катода, управляющего электрода и анодного блока электрически разделяются керамическими цилиндрами.

Магнитное поле, вектор напряженности которого параллелен оси прибора, как и в магнетроне, создается внешними магнитами.

Анодная колебательная система обычно заземляется, на катод подается отрицательное напряжение, а на управляющий электрод - тоже отрицательное напряжение, но несколько меньшей величины, так что между катодом и этим электродом существует ускоряющее поле.

Принцип действия митрона практически тождествен принципу работы многорезонаторного магнетрона. Митрон тоже работает, как правило, в режиже π-колебаний; так же как и в магнетроне, в пространстве взаимодействия формируются электронные спицы, вращающиеся синхронно с высокочастотным полем, протекают те же процессы энергетического взаимодействия электронов с полем, при которых они отдают волне потенциальную энергию.

Отличие заключается в несколько ином, нежели в магнетроне, электрическом режиме, который обеспечивается вынесенным из пространства взаимодействия эмиттирующим катодом и использованием дополнительной внешней низкодобротной колебательной системы. Эти отличия обусловливают возможность электронного управления частотой колебаний при изменении анодного напряжения. Поэтому митрон иногда в литературе называют магнетроном, настраиваемым напряжением.

В митроне, по сравнению с магнетроном, существенно уменьшена добротность Q колебательной системы. Это достигнуто за счет использования замедляющей системы типа встречных штырей, системы более широкополосной, чем замкнутая цепочка объемных резонаторов в магнетроне, а также подключением внешней колебательной системы, например в виде отрезка волновода. Уменьшение Q естественно сопровождается снижением уровня энергии, запасаемой в контуре, а следовательно, уменьшением амплитуды высокочастотных колебаний и, что особенно существенно, уменьшением реактивной составляющей тока контура. Вполне понятно, что уменьшение амплитуды высокочастотного поля в контуре, т. е. в зазоре между штырями требует снижения плотности объемного заряда в пространстве взаимодействия, так как в противном случае процесс формирования и фазовой фокусировки спиц будет неэффективным. В митроне уменьшение объемного заряда в пространстве взаимодействия достигается, главным образом, за счет конструкции катодного узла. Число электронов, попадающих в пространство взаимодействия, регулируется потенциалом U_у.э управляющего электрода. Экспериментальные исследования показали [Л. 7], что при снижении плотности объемного заряда степень модуляции электронного потока по плотности возрастает. Иначе говоря, уменьшение числа электронов, поступающих в пространство взаимодействия, приводит в основном к снижению числа нерабочих электронов; плотность же объемного заряда в спицах уменьшается значительно меньше. Оптимальный режим работы митрона достигается в том случае, когда величина анодного тока равна примерно одной трети от тока, обусловленного поступлением электронов через отверстие в управляющем электроде.

Очень важно, что при таком режиме образования объемного заряда в пространстве взаимодействия величина анодного тока оказывается ограниченной. Иными словами, увеличение анодного напряжения не может привести к существенному росту анодного тока.

С изменением величины анодного напряжения в митроне, как и в магнетроне, нарушаются условия синхронизации вращения сверхвысокочастотного поля и электронных спиц. Появляется сдвиг фаз между электрическим полем и электронным током, возникает реактивная электронная проводимость. Для выполнения баланса фаз при новом значении U_a реактивная проводимость резонатора также должна измениться. Это изменение, естественно, повлечет за собой изменение частоты колебаний. Но в магнетроне, где в силу высокой добротности реактивный ток резонатора значительно больше реактивной составляющей электронного тока, это изменение частоты невелико. В митроне же с низкодобротной колебательной системой изменение частоты оказывается значительным.

Кроме того, в силу ограничения тока в митроне изменение анодного напряжения и частоты колебаний не сопровождается, как это было в магнетроне (см. рис. 5-14), резким изменением мощности.

Рабочие характеристики и параметры. В качестве основных характеристик митрона используются зависимости Pвыx = f(U_а); I_а = φ(U_а) и ω = ψ(U_a) (рис. 5-17).

Рис. 5-17. Зависимости выходной мощности, тока и частоты колебаний от анодного напряжения

Ширина полосы Δω электронной перестройки частоты зависит от конструкции прибора и может изменяться для митронов разных типов от 15% относительно средней рабочей частоты до октавы (ω_макс/ω_мин ≈ 2) и более. Расширение полосы Δω неизбежно сопровождается уменьшением выходной мощности P_вых и к. п. д.

Так, в относительно узкополосных митронах величина выходной мощности измеряется единицами или десятками ватт при изменении значения Р_вых в диапазоне перестройки частоты не более чем на 2-3 дб и к. п. д. до 40%.

При расширении полосы Δω до октавы выходная мощность уменьшается до 0,5-3 вт, а к. п. д. снижается до 15-25%.

Величина выходной мощности в митроне может регулироваться с помощью напряжения U_y.э на управляющем электроде. Однако с увеличением U_y.э неизбежно меняется и частота генерируемых колебании (рис. 5-18).

Рис. 5-18. Зависимости выходной мощности, тока и частоты колебаний от напряжений на управляющем электроде

Степень изменения частоты при изменении напряжении U_а и U_y.э не различна. Крутизна S кривой ω = ψ(U_a) составляет 0,5-5 мгц/в, а крутизна S_y.э не превышает 0,9 мгц/в. Митроны используются, главным образом, в качестве маломощных гетеродинов. По уровню собственных шумов они в настоящее время уступают отражательным клистронам и лампам обратной волны типа O.