Файл: Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник.pdf

В общем случае для заданного значения индукции В возможно одновременно выполнение условия синхронизма для нескольких видов. Самовозбуждение магнетрона произойдет на том виде, для которого условия самовозбуждения выполняются легче, в частности,

при увеличении напряжения Ua возможен «перескок» на другой вид колебаний, если условия для его самовозбужденияіболее бла­

гоприятны. И для нового вида колебаний дальнейшее увеличение Uа также приведет к росту

изображены пороговые прямые, если в формулу (7.19) подста­ вить абсолютную величину суммы (п + pN). Для видов:коле­ баний п — 1, 2, 3 пороговое напряжение при работе на пространст­ венных гармониках р = ± 1 оказывается ниже, чем при р = 0. Исключение составляют колебания я-вида (п = 4), у которых поро­ говое напряжение одинаково для р — 0 и р = — 1, так как у них одинаковы фазовые скорости, согласно формуле (7.13).

125

Использование ненулевых пространственных гармоник позво­ ляет работать при меньшем анодном напряжении, что весьма удоб­ но. Однако напряженность поля гармоник уменьшается сильнее от анода к катоду, чем у нулевой, что затрудняет самовозбуждение колебаний.

Обычно рабочим видом колебаний является я-вид с нулевой пространственной гармоникой (р = 0). Ниже рабочей пороговой прямой располагаются пороговые прямые низших видов колебаний (п < N і2) с ненулевыми номерами пространственных гармоник (на­ пример, р = + 1 ) . Поэтому при изменении (нарастании) напря­ жения от нуля до рабочего значения для я-вида колебаний имеется опасность самовозбуждения на ненулевых пространственных гар­ мониках низших видов колебаний, частота которых отличается от частоты рабочего вида колебания.

§ 7.4. Стабилизация рабочего вида колебаний

В магнетронах широко используется частотное разделение видов колебаний применением связок между резонаторами или резонаторов разного размера (разнорезонаторные магнетроны) (см. рис. 7.12, б).

Зависимость частоты колебаний от номера п для эквивалентной схемы колебательной системы восьмирезонаторного магнетрона с емкостной связью между резонаторами без связок, определяемая формулой (7.7), приведена на рис. 7.13. Наименьшая разница частот

рис. 7.4). Эту разницу частот называют разделением частот. Отно­

сительное разделение частот Л/// небольшое, порядка 1 % или меньше.

Для устойчивой работы магнетрона на я-виде колебаний жела­ тельно иметь разделение частот порядка 10—20%. При одинако­ вых размерах резонаторов А/ увеличивается с помощью связок.

126

Связки представляют собой проволочные или ленточные про­ водники, расположенные над торцами анодного блока и присоединен­ ные в определенной последовательности к его сегментам. На рис. 7.12, а показан вариант двойных кольцевых связок. Каждая связка присоединена к анодному блоку через один сегмент. Если р магнетроне возбуждены колебания я-вида, то каждая связка сое­ диняет точки с одинаковым потенциалом. Поэтому связки не изме­ няют распределения поля. Однако между связкой и анодным блоком имеется емкость, которая понижает резонансную частоту я-вида

(п < N12). Тогда те же точки присое­ динения связок уже не имеют одина­ ковый потенциал. По связкам потекут уравнительные токи, влияние кото­ рых эквивалентно подключению ин­ дуктивности параллельно двум резо­ наторам. Это повышает частоты не ра­ бочих видов колебаний.

На рис. 7.13 показана зависимость частоты видов колебаний от: номера п для восьмирезонаторного магнетрона со связками и без них. В результате применения связок частота я-вида колебаний уменьшилась и повысилась частота других видов, т. е. увеличилось разделение частот. Разделение может достигать 20% и более.

Применение связок, правильный выбор рабочего напряжения и его стабилизация позволяют подавить паразитные виды колеба­ ний в магнетроне с непрерывным режимом работы. Однако в им­ пульсных магнетронах существует опасность возбуждения паразит­ ных видов колебаний на переднем фронте импульса. Уже отмеча­ лось, что ниже пороговой прямой, соответствующей я-виду колеба­ ний, располагаются пороговые прямые для пространственных гар­ моник других видов колебаний (низковольтные виды). При очень пологом фронте импульса, т. е. при малой скорости нарастания напряжения могут успеть установиться колебания этих видов. Для того чтобы низковольтные колебания не возбуждались совсем или не успели нарасти до заметной амплитуды, необходимо начальную часть фронта 1 импульса (рис. 7.14) сделать крутой. В части 2 фрон­ та, которая соответствует напряжению возбуждения я-вида коле­ баний, наклон необходимо уменьшить, чтобы успели установиться колебания этого вида. Идеализированный импульс напряжения такой формы и показан на рис. 7.14. К форме импульса: предъявляют­ ся серьезные требования, для”каждого типа магнетрона необходима оптимальная форма импульса.

Возможно эффективное подавление паразитных видов колеба­ ний при синхронизации (подвозбуждении) магнетрона от генератора, частота которого совпадает с частотой я-вида колебаний.

127

§ 7.5. Параметры и характеристики многорезонаторного магнетрона

Электронный к. п. д. Приближенно будем считать, что макси­ мальная потенциальная энергия электрона, которая может перейти в энергию СВЧ-поля при анодном напряжении Uа, Wn = eUa. Однако часть этой энергии преобразуется в кинетическую энергию электрона и рассеивается в виде тепла при соударении электронов с анодом WK= тѵ\/2, где ѵа — скорость электрона у анода. Поэ­ тому электронный к. п. д. можно определить по формуле

1Ъ - (Wa - WK)/W n = 1 - W JW a = 1 - W jeU a. (7.25)

Рассмотрим наихудший случай, когда электрон попадает на анод с максимальной скоростью, которую можно считать равной скорости электрона в верхней точке циклоиды. По формуле (5.13)

^а.макс= ~ 2Е/В Ä/ ‘lU а!dB, (7.26)

где уп — скорость переносного движения; Е — напряженность ста­

с режимом работы магнетрона, определяемым анодным напряже­ нием и индукцией. В критическом режиме Uа = Ua кр, В = Вкр и т)э = 0. В этом случае, как уже указывалось ранее, нет самовоз­ буждения. Чем сильнее режим работы отличается от критического, тем выше электронный к. п. д. В реальных многорезонаторных маг­ нетронах электронный к. п. д. достигает 50—70% и более. Как правило, магнетрон — это мощный генератор СВЧ-колебаний, для которого получение значительного электронного к. п. д. весьма существенно.

Рассмотрим влияние индукции В на электронный к. п. д. Ве­ личины Uа и В в (7.27) связаны условием синхронизма. Эта связь изображается пороговыми прямыми в соответствии с уравнением (7.19). Подставляя (7.19) непосредственно в (7.27), для нулевой пространственной гармоники, получаем

128

По формуле (7.28) с увеличением индукции В происходит рост электронного к. п. д. При увеличении В приходится пропорциональ­ но увеличивать Uа, чтобы сохранилось условие синхронизма (на­ хождение на одной пороговой прямой). Поэтому переносная ско­ рость . ѵп и максимальное значение скорости около анода оа.макс в (7.28) остаются неизменными. Таким образом, в (7.25) энергия WKне изменилась, а увеличилась из-за роста анодного напря­ жения Uа, следовательно, электронный к. п. д. должен возрасти.

Из (7.28) можно также сделать очень важный вывод' о зависимо­ сти электронного к. п. д. от номера вида колебаний при постоянной индукции В. Наибольший к. п. д. получают при зх-виде колебаний,

так как с ростом п к. п. д. увеличивается. На рис. 7.15 показана

•теоретическая зависимость электронного к. п. д. от индукции В и номера вида п. В соответствии с (7.28) кривые имеют вид гипербол.

Электронное смещение частоты. Электронным смещением час­ тоты называют зависимость частоты генерируемых колебаний от анодного тока. Анодный ток / а изменяют регулировкой анодного напряжения. Однако зависимость / а от Uа, изображаемая вольтамперной характеристикой (см. рис. 7.10, б), очень сильная, поэ­ тому режим работы магнетрона устанавливают и контролируют не по величине Uа, а по постоянной составляющей анодного тока. В связи с этим и изменения частоты изображают как функцию

малых анодных токах; она может составлять несколько десятков

мегагерц на ампер или больше.

Рабочие характеристики. Рабочими характеристиками маг­ нетрона называют связь между анодным напряжением и током при постоянных мощности, к. п. д., частоте или индукции поля,т. е. эти характеристики позволяют выбрать режим работы (Uа, I а) при заданных мощности, к. п. д., частоте или индукции. Рабочие ха-