Конструкция,принцип действия, амплитудное и фазовое условия самовозбуждения многорезонаторного магнетрона. Парабола критического режима.

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.

Устройство многорезонаторного магнетрона

Анод магнетрона 1 представляет собой сплошной цилиндрический медный блок, разделенный на сегменты продольными щелями. Эти щели входят в состав полых резонаторов 2, расположенных на равных расстояниях по окружности анода. Катод магнетрона 3 имеет цилиндрическую форму и расположен внутри анода вдоль его оси.

Пространство 4 между катодом и анодным блоком называется пространством взаимодействия. Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, направленное вдоль оси прибора, которое создается постоянным магнитом. Постоянное или импульсное анодное напряжение U_а, прикладываемое между катодом и анодом, создает электрическое поле, перпендикулярное к направлению магнитного поля. Вывод СВЧ-энергии осуществляется обычно от одного из резонаторов, например, с помощью петли 5 и коаксиальной линии.

Работа многорезонаторного магнетрона основана на длительном взаимодействии электронов с электрическим полем резонаторов. Электроны, эмиттируемые катодом магнетрона, подвергаются действию скрещенных постоянных электрического и магнитного полей и переменного СВЧ-поля системы резонаторов. В случае отсутствия СВЧ-поля (статический режим) электроны, двигаясь ускоренно под действием анодного напряжения, пересекают силовые линии магнитного поля. При этом их траектории искривляются и в зависимости от со-отношения электрического и магнитного полей могут иметь различный вид, как показано на рис.5.2, а.

Траектория 1 соответствует случаю, когда индукция магнитного поля B = 0. При увеличении магнитного поля траектории электронов искривляются (кривые 2 - 4) и начиная с некоторого значения индукции магнитного поля, называемого критическим (В_кр), электроны не попадают на анод, а возвращаются к катоду. При этом анодный ток магнетрона резко падает. Такой режим работы магнетрона называется критическим.

Траектории электронов в магнетроне по форме близки к эпициклоиде - кривой, которую описывает точка окружности, катящейся без скольжения по поверхности катода (траектории 3-4). Так как электроны эмиттируются катодом непрерывно, то в пространстве взаимодействия образуется электронное облако, вращающееся вокруг катода (рис. 5.2, б). Средняя окружная скорость электронов в облаке равна V= E/B (5.1)

и называется переносной скоростью электронов. Искривление траекторий электронов магнитным полем вызывает увеличение времени пролёта электронов от катода к аноду, в результате чего анодный ток магнетрона зависит от величины индукции магнитного поля (рис. 5.3).

Критический режим магнетрона может быть достигнут путем изменения анодного напряжения при постоянном по величине магнитном поле. При заданной величине индукции магнитного поля критическое анодное напряжение можно найти из выражения

где r_k - радиус катода; r_а - радиус анода; e - заряд электрона; m - масса электрона;

B - индукция магнитного поля.

Зависимость называется параболой критического режима (рис.5.4).

Парабола критического режима определяет на плоскости B - U_a нерабочую область (заштрихована). При значениях В и U_a для любой точки в этой области электроны и магнетроны не описывают петлеобразных траекторий и колебания отсутствуют. Для колебаний π-вида нерабочей областью является также часть плоскости, лежащая ниже прямой пороговогоU. При этих значениях Ua и B либо не выполняется условие синхронного движения спиц (Ua < Uc), либо отработавшие электроны не попадают на анод(Uc<Ua<Uп). Для возбуждения колебаний π-вида требуется меньшее анодное напряжение по сравнению с величинами U_a, необходимыми для колебаний других видов. При значительном превышении порогового напряжения для колебаний π-вида возможен переход на другой вид колебаний, при этом произойдет резкое изменение ("перескок") частоты генерируемых колебаний.
- потенциал синхронизации

где r_a- радиус анода; N - число резонаторов.

- пороговое напряжение

Важнейшей частью магнетрона является его резонансная система. Она выполняет следующие основные функции: во-первых, определяет частоту генерируемых колебаний, во-вторых, обеспечивает взаимодействие электронов с СВЧ-полем и, в-третьих, передает полученную в результате этого взаимодействия энергию СВЧ-колебаний в нагрузку. Резонансная система с анодным блоком 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: Ф = 2πn, (5.3) где n=0,1,2….. определяет число целых периодов высокочастотного колебания, укладывающихся вдоль окружности анодного блока. Если волна в некоторой точке анодного блока характеризовалась фазой ϕ, 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: ϕ =2πn/ N. (5.4)

Наиболее важным для работы магнетрона является случай, когда разность фаз ϕ равна π. Такой вид колебаний в резонансной системе называется противофазным или π-видом и имеет место при значении n=N/2

Для возбуждения и поддержания колебаний в магнетроне необходимо, чтобы электроны отдавали полю резонаторов большую энергию, чем они получают от него. Такую направленную передачу энергии можно осуществить, если электронный поток взаимодействует с переменным электрическим полем не непрерывно, а лишь в те моменты времени, когда поле является для электронов тормозящим. Для этого электронный поток должен быть сгруппирован в сгустки, время прохождения которых вблизи щели резонатора совпадало бы со временем существования там тормозящего поля. Группирование потока электронов в магнетроне осуществляется переменным электрическим полем резонаторов.