Файл: Самсонов, Д. Е. Основы расчета и конструирования магнетронов. (Настройка. Стабилизация. Вывод энергии. Холодные измерения).pdf

Е с ли считать, что стенки

резонатора

о б л а д а ю т

конеч­

ной

проводимостью,

то

р е з у л ь т и р у ю щ а я

собственная

добротность полого резонатора (резонаторной системы

магнетрона)

Qoe

определится

из следующего

соотноше­

ния:

1 / Q o e = l / Q o + 1 / Q e .

( I I 1.6)

В эквивалентной схеме магнетрона типа «генератор-

реактар» реактору соответствует электронна я

проводи­

мость Уер с

активной составляюще й Gep,

как

правило,

положительного з н а к а . В генераторах электроны отдают

энергию

ВЧ

полю . В

этом

случае электронна я доброт­

ность

Qe

и

активна я с о с т а в л я ю щ а я

электронной

прово­

димости

Ge

всегда

отрицательны .

З а м е т и м ,

что в р а м к а х эквивалентного

представления

магнетрона с электронной настройкой типа «генератор-

реактор»

соотношение

( I I I . 1 )

м о ж е т

быть

записано

в виде

A//fo = 1 M 6 , p / ^

( Ш . 7 )

где

АВер

— с о с т а в л я ю щ а я

электронной

проводимости

ре­

актора

Вер,

вносимая в резонаторпую систему генерато­

ра;

Ус

— волновая

проводимость системы генератор — ре­

актор .

Приведенны е

в

данном

п а р а г р а ф е

энергетические

соотношения справедливы д л я л ю б ы х типов магнетрон­

ных

генераторов

с

электрической

настройкой.

Теоретический

анали з

и

опыт

позволяют

подметить

следующие основные недостатки таких магнетронов: за­

пас

значительных

уровней

реактивной мощности д л я

перестройки частоты генератора в сравнительно неболь­

ших пределах (1 — 3%) ; невысокий полный

к. п. д.;

кон­

структивная

сложность .

П о л о ж и т е л ь н ы м

свойством

таких

магнетронов

явля ­

ется их сравнительно высокая скорость перестройки; по

скорости

перестройки

частоты

они

з а н и м а ю т

промежу ­

точное

положение

м е ж д у магнетронами

с

механической

и электронной перестройкой

частоты.

2.

Настройка магнетрона электронными потоками,

пронизывающими

щели резонаторов

Н а л и ч и е

электронного

«газа»

в

щели резонатора

эквивалентно изменению его емкости и емкости всей си­

стемы

Сэ

на

величину

АС,

что, в

свою

очередь,

влечет

за

собой

изменение

частоты

генерируемых

колебаний

магнетрона / г

на величину Д/е .

Из работ [4, 8] видим,

что электронный

газ в

конден­

саторе,

м е ж д у

пластинами

которого

действует

ВЧ на­

п р я ж е н и е

u=Umsin<sit,

ведет

себя

как

диэлектрическая

среда

с

потерями .

Диэлектрическую

постоянную

(е)

и

проводимость

(о)

электронного газа

или п л а з м ы

определяют

следую­

щими

в ы р а ж е н и я м и [8]:

. =

1 -

AfeVIm.. ( < ф ф +

«P)] =

1 -

+

с»2),

(Ш.8)

3

=

Ne\m/

К ( ^ ф ф

+

о2 )] =

« > 2

n / o v 3 ( t K p / ( v ^

+ со2).

(III.9)

Здесь

N—

количество

электронов

в

единице

объема

п л а з м ы ;

е, т — з а р я д

и

масса

электрона

соответствен­

но;

е — диэлектрическая

проницаемость

пространства

в отсутствии

п л а з м ы ;

со — угловая

частота

колебаний;

а>пл = е I^N/meo

— п л а з м е н н а я

угловая

частота;

\-Э фф—

э ф ф е к т и в н а я

угловая

частота

соударения

электронов

с молекулами

остаточного газа

в з а з о р е

резонатора .

П р и

пренебрежении

соударениями

электронов

с ней­

т р а л ь н ы м и

частицами

(^Эфф = 0,

0 = 0 )

ф о р м у л а

( Ш . 8 )

принимает вид

e

=

l -

Ne'j^m^

=

1 -

(в^/ш2 .

(Ш.8')

Н а

рис. I I I . 2

дл я

этого случая представлена

зависи­

мость

относительной

диэлектрической

проницаемости

электронной п л а з м ы

от частоты

(а)

и от

концентрации

электронов

(б) . И з рисунка

видно,

что при

определен­

ных

условиях диэлектрическая

постоянная

электронного

газа о к а з ы в а е т с я

отрицательной;

во

всех

случаях 8 ^ 1 .

П р и

учете

соударений электронов

с м о л е к у л а м и оста­

точных

газов

м а к с и м а л ь н ы е потери

в з а з о р е резонатора

имеют

место

согласно в ы р а ж е н и ю

( I I I . 9 ) при хЭфф = а>.

полненной электронным

газом,

может быть проведен по

ф о р м у л е

4 L e

_ _ L . £ £ ! _ =

Р ^ _ ,

( Ш Л 0 )

которая п р е д с т а в л я е т собой

известную

ф о р м у л у диспер­

сии

электронного

газа

при

м а л ы х

плотностях

з а р я д а

Р [18].

И з ф о р м у л ы

( Ш Л О )

видно,

что

с увеличением кон­

ц е н т р а ц и и электронов в

щели

резонатора

его

резонанс ­

н а я частота уменьшается .

Р а с с м о т р е н н ы й

случай

элек­

трической настройки простейшего резонатора

реализует ­

ся в

отсутствие постоянного

магнитного

поля.

Б о л е е с л о ж н ы е явления

имеют

место

при

пропуска­

нии

электронного

л у ч а

в

конденсаторном

п р о м е ж у т к е ,

о б р а з о в а н н о м сегментами

одного из резонаторов

анод­

тированные

катодом

и ускоренные н а п р я ж е н и е м

U0, под

воздействием магнитного

поля

В д в и ж у т с я в

переменном

В Ч

поле щели

резонатора

по

с л о ж н ы м спиралевидным

т р а е к т о р и я м , н а в о д я

В Ч

токи

на

пластинах

конденсато­

ра.

П р и этом

плотность

наведенного тока

пропорцио­

н а л ь н а

плотноститока в

луче .

П р и з а д а н н ы х

значениях

у с к о р я ю щ е г о

н а п р я ж е н и я

U0,

н а п р я ж е н н о с т и

электрического поля Е в

щели резо­

натора, индукции магнитного поля В и частоте

колеба ­

ний

со условия

д л я

электрической

настройки

магнетрона

будут

«идеальными»,

если

спиралевидные

траектории

электронов

не

к а с а ю т с я

стенок

резонатора

(в

против­

Энергетические соотношения, приведенные

в первом

п а р а г р а ф а д л я общего случая электрической

настройки

этого

взаимодействия

изменяется

з а п а с е н н а я

в резона­

торе

реактивная

энергия и, следовательно, резонансная

частота системы

/0 .

Д о б а в о ч н а я

кинетическая

энергия,

хождении

через

щель резонатора, теряется на коллек­

торе. Эти

потери

эквивалентны снижению ненагружен -

ной добротности

резонатора QQ.

тронном

луче,

и тем

выше

э ф ф е к т и в н а я плотность тока

(и з а р я д а ) в

нем,

чем меньше электронов оседает на

стенках

сегментов,

чем

б л и ж е циклотронная частота

резонаторов, «простреливаемых»

электронным

лучом.

Так, например,

в магнетроне

непрерывного р е ж и м а

мощ­

ностью 25 Вт,

р а б о т а ю щ е м

на

частоте fr = 4 ООО

М Г ц ,

источника

в

пределах

± 8

мА.

Н е с м о т р я

на ограниченность д и а п а з о н а

перестройки

частоты, данный способ настройки магнетрона

может

найти применение на практике не только д л я

частотной

модуляции

генерируемых

магнетроном

колебаний,

но и

д л я электронной стабилизации частоты

последнего.

Д л я

р я д а применений полезной может оказаться

т а к ж е

воз­

можность сочетания электрической

настройки

магнетро­

на в узком д и а п а з о н е частот с широкодиапазонной

ме­

ханической

настройкой.

3. Настройка магнетрона электронным потоком,

пронизывающим

дополнительный

полый

резонатор

Д а н н ы й

способ

электрической настройки

магнетрона

м о ж н о р а с с м а т р и в а т ь

к а к м о д и ф и к а ц и ю

способа

на­

стройки, описанного в

п р е д ы д у щ е м

п а р а г р а ф е .

В

этом

лом

резонаторе, собственная частота которого fK

близка

к

собственной частоте резонаторной системы

fo [4,

стр.

197]. С в я з ь м е ж д у

полым

резонатором

и

анодным

блоком

магнетрона

осуществляется

через

щ е л ь

связи

Р е з о н а т о р н а я система

магнетрона

с

дополнительным

резонатором

о б л а д а е т

высокой

собственной

добротно­

стью

Q0 . П о э т о м у без

особой

погрешности

м о ж н о

при­

нять

Q e = o o ,

т. е. м о ж н о

пренебречь

дополнительными

а к т и в н ы м и

потерями

в

полом

резонаторе,

вносимыми

электронным

лучом .

П р и н ц и п и а л ь н о

данный

способ настройки

магнетрона

не отличается от рассмотренных в п р е д ы д у щ е м

п а р а г р а ­

фе: при

расчете величины

перестройки

частоты следует

л и ш ь

учесть

э ф ф е к т

связи

магнетрона

с

резонатором

через

коэффициент

связи

Ксв

и э ф ф е к т стабилизации

частоты

через

коэффициент

стабилизации

5 0 т , равный

резонатором к внешней

добротности того

ж е

магнетро­

на, но без полого резонатора . П р и прочих

равных усло­

виях оба

э ф ф е к т а у м е н ь ш а ю т

д и а п а з о н

электрической

настройки

магнетрона

электронным

лучом .

О д н а к о

с конструктивной точки

зрения

данный

способ

настройки

активной

л а м п ы и магнетрона в д а н н о м случае

полно­

стью р а з д е л е н ы .

П р и

осуществлении эффективной настройки

магне­

странстве

взаимодействия реактивной

л а м п ы большие

плотности

з а р я д а

р при больших мощностях

луча . Под ­

робные сведения об электрической настройке

магнетрона

при

помощи реактивных л а м п

такого рода читатель

мо­

ж е т

почерпнуть

из работы [4].

4.

Настройка

магнетрона электронными потоками,

управляемыми в диодных промежутках

«резонаторы блока — дополнительные катоды»

Н а

рис. III . 3

представлены анодные блоки магне­

трона

с

к а т о д а м и

реактивных

л а м п

(магнетронных

дио­

дов)

в

щ е л я х (а)

и отверстиях

(б)

резонаторов . В этом

случае

плотность

з а р я д а п р и б л и ж е н н о

равна

р =—е(т/2е)<о*ц.

(111.11)

П р и

магнитном

поле В = 1070 Гс

( ю ц = 2 я • 3 • 109 )

из

уравнения

( I I I . I I )

получаем р = — 8 , 9 5 - Ю - 3

К л / м 3 ;

в то