Магнетронные генераторы

Магнетронные генераторы, находящие сейчас широкое примене­ние, имеют большую и сложную историю развития.

Поведение диодов в магнитном поле явилось предметом много­численных опытов вскоре после создания первых электронных ламп. Сверхвысокочастотные колебания в диодах, помещенных в постоян­ное магнитное поле, были обнаружены еще в 1920—1924 гг. Толчком к этим исследованиям в значительной мере явились эксперименты по возбуждению колебаний в схеме тормозящего поля.

Установлено, что существуют три основных типа колебаний в магнетронах, различающихся своим электронным механизмом:

1) колебания циклотронного типа;

2) колебания типа отрицательного сопротивления;

3) колебания типа бегущей волны.

Наибольший практический интерес представляют колебания типа бегущей волны, которые происходят в многорезонаторных магнетро­нах, разработанных впервые в 1938—1940 гг. Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым. Этому типу колебаний уделяется в дальней­шем основное внимание.

Развитие многорезонаторных магнетронов привело к разработке мощных высокоэффективных автогенераторов, играющих важней­шую роль в технике СВЧ. Вместе с тем разработки и исследования магнетронных генераторов стимулировали появление большого клас­са приборов СВЧ магнетронного типа — ламп бегущей волны М-типа, ламп обратной волны Ж-типа и платинотронов. Общим признаком магнетронов и других приборов М-типа является присутствие в междуэлектродном пространстве скрещенных постоянных электрического и магнитного полей.

Устройство типичного многорезонаторного магнетрона.

1—анодный блок; 2— катод, 3—резонатор типа щель— отверстие, 4 —пространство взаимодействия; 5 — вы­вод энергии.

Анодом магнетрона является сплошной цилиндрический медный блок, разделенный на сегменты продоль­ными щелями. Эти щели входят в состав полых резонаторов, распо­ложенных на равных расстояниях по окружности анода. Катод маг­нетрона имеет цилиндрическую форму и расположен внутри анода вдоль его оси.

Постоянное магнитное поле В направлено вдоль оси прибора, т. е. перпендикулярно плоскости чертежа на второй проекции.

Постоянное или импульсное анодное напряжение U_a приложено между катодом и анодом и создает электрическое поле, перпендику­лярное к направлению магнитного поля. Постоянное электрическое поле магнетрона является для электронов ускоряющим, вследствие чего они при движении к аноду отбирают у этого поля, а следовательно, и у источника питания энергию. Вывод СВЧ энергии произ­водится обычно от одного из резонаторов, например, с помощью петли и коаксиальной линии.

Анализ работы многорезонаторных магнетронов показывает, что их действие можно наглядно рассматривать на основе бегущих волн, распространяющихся по внутренней поверхности анодного блока, обращенной к катоду. Это и послужило основанием для названия «колебания типа бегущей волны».

В пространстве взаи­модействия между катодом и анодом магнетронов про­исходят все процессы, ко­торые должны присутство­вать в любом электронном генераторе и усилителе СВЧ: управление электрон­ным потоком, образование сгустков и отдача энергии высокочастотному электри­ческому полю. В магнет­ронах нет разделенных в пространстве областей уп­равления, группировки и отдачи энергии, которые имеются, например, в кли­стронах. Это обстоятельство, наряду со сложным характером движе­ния электронов, значительно осложняет изучение процессов в магне­тронах.

Уравнение движения электрона имеет вид:

Таким образом, скалярные уравнения движения электрона в пря­моугольной системе координат имеют вид

Систему координат удобно ориентировать относительно электродов магнетрона таким образом, чтобы иметь положительное направление векторов Е и В.

Окончательно исходные уравнения движения электрона в скре­щенных полях принимают вид:

Решение данной системы уравнений:

где w_ц – круговая циклотронная частота

Траектории электронов являются, таким образом, плоскими кривыми, лежащими в плоскости z == z₀ = const. Начальная координата х₀ лишь сдвигает траекторию вдоль оси х.

Рассматривая уравнения, нетрудно убедиться, что они выражают в параметрической форме один из частных случаев трохоид — циклоиду.

где υ _ц — скорость центра равномерно катящегося круга. Через R, обозначен радиус катящегося круга; r — расстояние точки, описывающей трохоиду, от центра круга; φ — угол поворота круга.

Т. о. электрон описывает циклоидальную траекторию, ко­торая характеризуется радиусом, равным

Скорость движения центра круга оказывается равной

Рассмотрим замкнутую цепочку из N полых резонаторов, рас­положенных на равных расстояниях по внутренней поверхности анод­ного блока магнетрона. Предположим, что все резонаторы полностью идентичны; каждый из резонаторов в рассматриваемом диапазоне частот возбуждается только на одном (низшем) виде коле­баний. Такую цепочку вместе с катодом можно рассматривать, как свернутую в кольцо периодическую замедляющую систему, являю­щуюся одной из разновидностей гребенчатых систем с металлической «подошвой».

Условием резонанса в любом кольцевом резонаторе является це­лое число длин волн в рассматриваемой линии, укладывающихся по длине кольца. Если обозначить длину волны в замедляющей системе (в азимутальном направлении по поверхности анода магне­трона) через λ_зам, то условие резонанса кольцевого резонатора при­обретает вид

где r _а — радиус анода магнетрона.

Это же условие можно выразить через разность фаз колебаний φ в любых двух соседних резонаторах. При обходе вдоль всей окруж­ности по внутренней поверхности анода полный сдвиг фазы в замкну­том кольце должен быть кратен 2π:

Отсюда вытекает, что разность фаз колебаний в резонаторах мо­жет принимать только дискретные значения, определяемые соотно­шением

Замедляющая система анодного блока имеет периодический ха­рактер; длина пространственного периода по поверхности анода рав­на

Фазовая скорость основной волны определяется из условия, что путь L между двумя резонаторами, равный волна проходит за время ∆t, связанное с разностью фаз колебаний в соседних резо­наторах φ условием φ= ω∆t. Через ω здесь обозначена круговая частота колебаний, близкая к резонансной частоте п- говида. Исполь­зуя и обозначая фазовую скорость, соответствующую n-му виду колебаний, через (U_ф)_n, получаем:

Резонаторы между собой имеют индуктивную связь, поэтому частота колебаний в магнетроне определяется по формуле: