КОЛИВАЛЬНА СИСТЕМА МАГНЕТРОНА

Анодний блок магнетрона як коливальна СВЧ-система являє собою N пов'язаних резонаторів, згорнутих (замкнутих) в кільце. У такій коливальній системі може виникнути N видів коливань. В коливальній системі з N резонаторів для виникнення коливань необхідний повний фазовий зсув СВЧ-коливань при обході всієї розгортки анода з поверненням в початкову точку, рівний

де п = О, 1, 2, 3, ..., N / 2.

Ціле число п визначає кількість довжин хвиль, що укладаються уздовж розгортки анодного блоку. В іншому випадку, тобто. Е. При п нецілі, виникає інтерференція хвиль і самозбудження магнетрона не відбувається.

Різниця фаз СВЧ-коливань в сусідніх резонаторах (фазовий зсув) визначається очевидним співвідношенням:

Мал. 14.5

На рис. 14.5, а представлена структура електричних НВЧ полів для N = 8 і п - 4 (ф в я).

Таким чином, різні види коливань в магнетроні можна характеризувати або числом я, яке визначає номер виду коливань, або фазовим зрушенням ір.

Одним з найбільш ефективних видів коливань є я-вид, для якого <р = я. З формули (14.9) видно, що коливання виду я реалізуються при п - ^ • * ^ то можливо при парному числі резонаторів N.

Розподіл напруженості змінного електричного поля уздовж анода для ф = я при N = 8 дано на рис. 14.5, б. Електричне поле в основному зосереджено поблизу щілин резонаторів. Якщо побудувати огибающую розподілу 6 = / (х), то отримаємо чотири періоди, т. Е. Чотири довжини хвилі укладається уздовж анодного блоку в розглянутих умовах.

Як видно з рис. 14.5, б> розподіл поля в просторі взаємодії носить періодичний, але не гармонійний характер, хоча зміна напруженості поля в часі в кожній точці простору носить синусоїдальний (гармонійний) характер. Таке просторове розподіл при розкладанні в ряд Фур'є містить нескінченну послідовність просторових гармонік.

Як випливає з викладеного в п. 13.3, фазова швидкість будь-просторової гармоніки = зі // г 3 /) , до зр - хвильове число просторової гармоніки номера р = 0, ± 1, ± 2, ...; £ зр = = & З0 + до зр . р ' * ± 1, ± 2, ...; до З0 - 2к / Х З0 ; Х З0 легко визначається з

Таким чином, замкнута коливальна система магнетрона на відміну від розімкнутої системи в ЛБВО володіє нескінченною послідовністю просторових гармонік для кожного / 1-го номера виду коливань.

Якщо розглядати частотний спектр коливань анодного блоку, то виявляється, що сусідні види коливань дуже незначно розрізняються по частоті. При роботі магнетрона в результаті різних флуктуацій в джерелі живлення може спостерігатися "перескок" в режимі роботи магнетрона з одного виду коливань на інший, супроводжуваний стрибкоподібним зміною частоти генерації коливань. Існує два основні методи поділу коливань: використання зв'язок, застосування разнорезонаторних анодних блоків. Зв'язки - це провідники, що з'єднують точки анодного блоку, що знаходяться під одним і тим же СВЧ-потенціалом. Для коливань виду до, зв'язки мають електричний контакт на сегментах анодного блоку, розташованих через один резонатор. Разнорезонаторние анодні блоки виконуються, як правило, з двох груп резонаторів з різними розмірами, причому ці резонатори чергуються один з одним.

Механізм виникнення незатухаючих коливань в магнетроні схожий з подібними явищами в клистроне та інших електровакуумних генераторних приладах НВЧ з динамічним управлінням. Коливання в магнетроні виникають через флуктуацій щільності електронного потоку. Коливання підтримуються за рахунок енергії джерела електричного живлення. У магнетроні, як і в інших ЕВП СВЧ, відбувається модуляція по щільності і енергетична взаємодія сформувалися згустків з електричним полем.

Розглянемо фізичний механізм взаємодії електронного потоку, що переміщається в схрещених 8х В- полях, з СВЧ-полем. Електричне СВЧ-поле в просторі рис. 14.5, б: Х. З0 = 2 кг Л / па - радіус анодного блоку); & Зр , = = 2 пр '/ Оу де Про - період структури, т. Е. Відстань між центрами зазорів двох сусідніх резонаторів: £> = 2лг а / ЛГ. тоді

Мал. 14.6

взаємодії має дві складові: поздовжню (уздовж поверхні катода або анода) і поперечну спрямовану перпендикулярно до поверхні електродів.

Розглянемо процеси взаємодії з кожної складової. Почнемо з поздовжньою На рис. 14.6 показана розгортка магнетрона, там же представлена структура СВЧ-поля в певний момент часу £ = £ 0 . Весь простір взаємодії розбите на дві групи ділянок а й б, на кожному з яких поле £ ц має свій напрямок. Спочатку розглянемо рух електронів, що вилітають з ділянок а катода. Якби СВЧ-по- ле відсутнє, то електрони, вилетівши з катода, описали б циклоиду і з тією ж енергією, з якою вилетіли, повернулися б на катод. Наявність же змінної складової електричного поля призводить до того, що електрони на протязі усієї ділянки а будуть переміщатися в котрий гальмує СВЧ-поле. В результаті вони втратять частину енергії і при зворотному русі до катода не зможуть досягти його і зупиняться в точці Б. Для наочності припустимо, що час руху електрона від точки А до зупинки в точці Б одно Т / 2 (Т - період СВЧ-ко лебанія). Наступний цикл електрон починає свій рух з точки Б в умовах, аналогічних моменту вильоту електрона з катода (точка А), і зупиниться через півперіоду в точці В і т. Д. Через Т / 2 напрямки полів на ділянках а й б змінюються на протилежні. Аналогічна картина буде спостерігатися на всіх ділянках а простору взаємодії. Електрони, що вилітають з катода б, будуть прискорюватися СВЧ-полем, отримувати додаткову енергію і будуть повертатися на катод. В результаті весь електронний потік розіб'ється на ряд згустків (спиць). Кожна спиця утворюється на одному просторовому періоді СВЧ-хвилі, тому число спиць в просторі взаємодії магнетрона буде визначатися номером виду коливань. Таким чином, поздовжня складова електричного СВЧ-поля розбиває весь електронний потік на ряд спиць і формує складову швидкості електронів, спрямовану до анода.

Час переміщення електрона від точки А до точки Б не обов'язково одно Т / 2. Воно може бути (і найчастіше буває) менше Т / 2, але це не змінює загальної картини взаємодії електронів з НВЧ-полем. Отже, траєкторію руху електрона можна наближено уподібнити траєкторії точки кола, що котиться по прямій, що йде від катода до анода. Швидкість кочення цієї окружності визначається відношенням і 1КК = = / 0 / В 0 . Число петель в траєкторії електрона і крутизна прямий, по якій котиться коло, залежать від анодного потенціалу та інтенсивності високочастотного поля. Підкреслимо ще раз, що на анод, описуючи циклоїдальні траєкторії, спрямовуються лише електрони, що вилетіли з ділянок катода, проти якого в даний момент часу існує гальмує полі.

При взаємодії з радіальної складової поля відбувається ущільнення електронів в спиці. Механізм цього ущільнення легко можна усвідомити з рис. 14.7.

Розглянемо три електрона, що знаходяться всередині спиці. Для електрона 1 сумарне радіальне СВЧ-поле £ = £ 0 4 для електрона 2 - Г 0 , а для електрона 3 - £ 0 - ££ (див. Рис. 14.7).

В результаті такого співвідношення швидкостей електрони 1 і 3 будуть

наближатися до електрону 2, тим самим зміцнюючи спицю, т. е. відбувається більш щільна угруповання електронів. Кожна спиця знаходиться в синхронізмі з хвилею, що біжить уздовж анодного блоку, т. Е. Спиці всередині простору взаємодії обертаються.

Мал. 14.7

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >