Условия возбуждения колебаний в магнетроне - Многорезонаторный магнетрон

Выясним, при каких условиях возможно возбуждение одного из видов колебаний в магнетроне.

Существование интенсивных колебаний в магнетроне обусловлено тем, что движущийся электронный поток распределен неравномерно по окружности магнетрона, концентрируясь в нескольких "спицах", имеющих более высокую плотность пространственного заряда. Кроме того, области с повышенной плотностью пространственного заряда при движении попадают под пазы резонаторов колебательной системы в моменты времени, когда переменное электрическое поле оказывается тормозящим и значительным по величине.

Процесс торможения электронов, обуславливающих передачу ими своей кинетической энергии переменному полю, определяется главным образом тангенциальной составляющей переменного поля, т. е. составляющей, направленной по касательной к окружности, концентрической с окружностью анода.

Если бы в работающем магнетроне пространственный заряд был распределен по окружности магнетрона равномерно, т. е., иными словами, число электронов под различными резонаторами было бы примерно одинаковым, то колебания в магнетроне не поддерживались бы. Действительно, в этом случае количество энергии, передаваемое электронами под пазами, где поле тормозящее, равно количеству энергии, получаемой другими электронами, находящимися под соседними пазами, где поле ускоряющее. Электронный поток не восполняет энергию, расходуемую в колебательной системе, и, следовательно, колебания, возникшие по той или иной причине (например, в результате ударного возбуждения), быстро затухают.

В дальнейшем будет показано, что группирование электронов, приводящее к образованию в электронном потоке областей повышенной плотности, происходит в магнетроне автоматически в результате взаимодействия электронов с радиальной составляющей переменного электрического поля резонаторов. В работающем магнетроне области электронных скоплений, движущихся вокруг катода, как уже было упомянуто, по форме напоминают спицы колеса (рис 2.14)

Оставим пока в стороне механизм группирования электронов и выясним, с какой скоростью должны двигаться "спицы" пространственного заряда в генерирующем магнетроне.

Предположим, что в рассматриваемый момент "спицы" находятся под резонатором, где поле достигло своего максимального значения и является тормозящим. Тогда в процессе взаимодействия с переменным полем резонаторов электроны, образующие "спицы", будут передавать часть своей кинетической энергии полю резонаторов, поддерживая в них колебания. При дальнейшем движении электронный поток будет пополнять энергией колебательную систему в том случае, если "спицы" будут достигать соседних резонаторов, когда поле этих резонаторов будет тормозящим. Очевидно, для этого требуется соответствующий выбор переносной скорости электронов нe. Необходимая величина переносной скорости зависит от периода генерируемых колебаний, сдвига фаз колебаний в соседних резонаторах и расстояния между резонаторами.

форма пространственного заряда в генерирующем магнетроне

Рисунок 2.14. Форма пространственного заряда в генерирующем магнетроне

Как отмечалось выше, различные виды колебаний магнетрона соответствуют различным по величине собственным частотам колебательной системы и характеризуются определенным фазовым сдвигом между колебаниями в соседних резонаторах. Поэтому в общем случае условия самовозбуждения различных видов колебаний (в частности, условия синхронизма) будут выполняться при различной скорости движения электронного потока, которая зависит от величины анодного напряжения и магнитной индукции.

Так, например, для противофазного вида колебаний, который преимущественно используется в современных магнетронах, области электронных скоплений должны проходить расстояние от одного резонатора до соседнего с ним за время, равное половине периода высокочастотных колебаний. Действительно, если в определенный момент времени одна из "спиц" находится под резонатором, поле которого тормозящее и достигло максимального значения, то под соседним резонатором поле ускоряющее. Оно станет тормозящим и будет иметь максимальное значение ровно через полпериода.

Рассмотрев условия синхронизма, выведем теперь простейшие количественные соотношения, определяющие, при каких значениях анодного напряжения и магнитной индукции возможно возбуждение того или иного вида колебаний.

Предположим, что для магнетрона, имеющего N резонаторов, радиусы анода и катода соответственно равны rа и rк. Среднее расстояние между соседними резонаторами lср, измеренное по окружности радиуса, равно

Сдвиг по фазе между колебаниями в соседних резонаторах для n-го вида колебаний равен

Очевидно, что электроны, находящиеся в данный момент под одним из резонаторов, должны достигнуть следующего резонатора, когда фаза колебаний в нем изменится на ?цn, т. е. станет такой же, как и в первом резонаторе в рассматриваемый момент времени. Такое изменение фазы произойдет за время

Где Tn - период, а - частота n-го вида колебаний

Скорость движения получим, разделив расстояние lср на время t0:

Выше было показано, что средняя переносная скорость движения электрона в плоском диоде (и приближенно в цилиндрическом) определяется выражением

В нашем случае за напряженность электрического поля ориентировочно можно принять величину

Где Ua - анодное напряжение.

Приравняв нср r нe, определим анодное напряжение, при котором услове синхронизма для n - вида колебаний:

Напряжение Uan называется пороговым напряжением для n-го вида колебаний.

Из полученного выражения видно, что пороговые напряжения при небольшом частотном разделении видов колебаний оказываются близкими по величине. Поэтому бывает трудно поддержать устойчивую работу магнетрона на одном из видов колебаний, так как при практически неизбежном небольшом изменении анодного напряжения может скачкообразно измениться генерируемая частота в результате возбуждения в магнетроне нежелательного вида колебаний.

Из выражения для порогового напряжения видно, также, что по мере увеличения номера n вида колебаний уменьшалась разница между пороговыми напряжениями для соседних выводов.

Похожие статьи




Условия возбуждения колебаний в магнетроне - Многорезонаторный магнетрон

Предыдущая | Следующая