Назначение и устройство многорезонаторного магнетрона — КиберПедия 

Индивидуальные и групповые автопоилки: для животных. Схемы и конструкции...

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого...

Назначение и устройство многорезонаторного магнетрона



Магнетроном называется мощный автогенератор синусоидальных колебаний СВЧ, в котором управление электронным потоком осуществля­ется при помощи электрического и магнитного полей.

В передающих устройствах РЛС применяются магнетроны, создате­лями которых являются советские инженеры Н.Ф.Алексеев и Д.Е.Маляров (1940г.).

Типичная конструкция современного многорезонаторного магнетро­на показана на слайд 44.

Катод подогревного типа 2 имеет форму цилиндра и располагается по оси анодного блока. С тор­цов катод закрывается экранами 7, препятствующими утечке электронов из пространства взаимодействия

В цепи накала включены высокочастотные дросселя 9, не пропу­скающие в цепи накала высокочастотную энергию.

Анодный блок 3, по окружности которого расположены резонато­ры 4, выполнен из электролитической меди. В сантиметровом диапазоне волн наиболее широко применяются резонаторы типа "щель-отверстие". Каждая щель эквивалентна емкости, отверстие – индуктивности, а в со­вокупности они представляют колебательный контур. Число резонато­ров всегда четное и бывает от 6 до 40. С укорочением длины волны число резонаторов увеличивается, а их размеры уменьшаются.

Нa анодном блоке расположены радиаторы 10, улучшающие его ох­лаждение. Пространство между катодом и анодным блоком 1 называется пространством взаимодействия. Здесь происходит обмен энергией меж­ду потоком электронов и высокочастотным полем.

Все резонаторы связаны между собой посредством высокочастотных полей и специальных связок 5. Во избежание появления колебаний не­желательных видов резонаторы с помощью связок соединяются в опре­деленном порядке.

Наличие сильной связи между резонаторами позволяет располагать петлю отбора энергии 6 в любом резонаторе.

Устройство вывода энергии должно обеспечить отбор в согласо­ванную нагрузку максимальной мощности и возможно меньше влиять на частоту колебаний магнетрона.

Импульсные магнетроны работают при анодных напряжениях от сотен вольт до десятков киловольт. Анод магнетрона заземляется, а на катод подается высокое напряжение отрицательной полярности.

Анодный блок помещается в магнитное поле, которое создается постоянным магнитом или электромагнитом. Магнитное поле направлено вдоль оси анодного блока (перпендикулярно электрическому полю), по­этому магнетронный генератор называют также прибором со скрещенны­ми полями. На практике встречаются пакетные магнетроны, в которых магнит и магнетрон конструктивно объединены в единую конструкцию. Это позволяет уменьшить расстояние между полюсами и при меньших раз­мерах магнита получить большую индукцию.



Колебательная система магнетрона состоит из связанных между собой резонаторов. Каждый резонатор в отдельности эквивалентен одиноч­ному колебательному контуру (слайд 45).

Так как пучности напряжения стоячих волн сосредоточены в щелях резо­наторов, щель эквивалентна емкости, а пучности токов сосредоточены на стенках, то щель эквивалентна индуктивности.

Связь между соседними резонаторами осуществляется через емкости Ск и взаимоиндуктивность М. Емкость Ск образуется сегментом анодного блока и поверхностью катода. Таким образом, колебательная система магнетрона сложная и в ней могут существовать различные типы колебаний. Каждому типу колебаний соответствует своя резонансная частота и свой фазовый сдвиг между токами в соседних резонаторах. Суммарный сдвиг фаз токов во всех резонаторах должен быть равен целому числу 2 π. Только в этом случае, обойдя все резонаторы по замкнутому кругу, придем к исходному току с его начальной фазой. Сле­довательно, сдвиг фаз колебаний в двух соседних резонаторах можно определить по формуле

φ=2 π n/ N,

где n - целое число, показывающее, сколько волн поля СВЧ укладывается по окружности анодного блока;­

N - количество резонаторов.

Тип колебаний, соответствующий n=N/2, называется колебаниями типа " π" или противофазными. Колебания типа " π" являются наиболее устойчивыми, имеют больший КПД и поэтому они чаще используются на практике. Для получения этих колебаний резонаторы магнетрона соединяются между собой связками через один. Связки - это проводни­ки круглого или прямоугольного сечения, соединяющие друг с другом четные и нечетные сегменты анодного блока. Для соблюдения симметрии связки укладываются с обоих торцов в специальные канавки.



В магнетронах, работающих на длинах волн меньше 3 см, колебания типа " π" получаются путем применения разнорезонаторной колебательной системы.

Некоторые магнетроны могут перестраиваться по частоте. Пере­стройка магнетрона осуществляется изменением объема цилиндрических резонаторов при помощи перемещения стержней (изменяется индуктив­ность) или при помощи ножевых пластин, которые вводятся в щели и изменяют сосредоточенную емкость колебательной системы. Диапазон перестройки составляет (5...20) 0/0 относительно основной частоты.

В Ы В О Д Ы

1. Магнетрон - это мощный генераторный прибор СВЧ, в котором управление электронным потоком осуществляется в двух взаимно пер­пендикулярных полях.

2. Колебательная система магнетрона является сложной и поэтому в магнетроне возможно множество типов колебаний. Наиболее устойчивы­ми являются противофазные колебания и поэтому они чаще приме­няются в магнетронах.

 

Второй учебный вопрос.

ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ МАГНЕТРОНА

Предположим, что между анодом и катодом магнетрона приложено напряжение Ua, а магнитное поле отсутствует. Тогда на электроны, вылетающие из катода, действует электрическая сила

Fэ=-e*E,

где e- заряд электрона;

E = Ua/d = Ua/(ra-rk) - напряженность электрического поля;

ra,rk - радиусы анодного блока и катода соответственно.

Под действием этой силы электроны движутся от катода к аноду по радиусу (траектория I, слайд 46).

В анодной цепи протекает ток (рис. 6.3, б). Вся кинетическая энергия электронов выделяется на аноде в виде тепла.

При магнитной индукции В1 < Вкр на электроны будет действовать и магнитная сила Fm=eVB, направленная перпендикулярно к вектору их скорости. По действием этой силы траектория движения электрона искривляется как показано на рис.6.3, а (траектория 2). Направление действия магнитной силы определяется по правилу левой руки. На рис. 6.3 магнитная индукция направлена за плоскость чертежа. При индукции В1 величина анодного тока не уменьшается. При увеличении индукции траектория электро­на все более искривляется и при некотором её значении Вкр, называ­емой критической, электроны проходят вблизи анода и возвращаются на катод (траектория 3). Анодный ток при этом резко уменьшается почти до нуля, а при дальнейшем увеличении индукции полностью прекраща­ется. Расчеты показывают, что при В > Вкр траектория электрона представляют собой циклоиду, т.е. кривую, которую описывает точка, находящаяся на окружности круга, катящегося по цилиндрической по­верхности катода. При этом скорость перемещения электрона в продоль­ном направлении (переносная скорость), равная скорости перемещения центра катящегося круга, будет постоянной и равна

.

Угловая скорость вращения круга также постоянна и равна

где m - масса электрона.

Радиус траектории

.

Скорость электронов в различных точках циклоиды различна. На вершине циклоиды она максимальна и равна 2v0, а у катода равна нулю.

После возвращения электрона на катод он снова уходит от него, описывая все новые и новые эпициклоидные петли. При непрерывном эмиттировании электронов всей поверхностью катода получается поток электронов, вращающийся вокруг катода с постоянной скоростью v0. Наличие вращающегося заряда является необходимым условием работы магнетрона. Следовательно, магнетрон может работать только при ин­дукции магнитного поля, больше критической.

Величина критической индукции зависит от напряжения источника питания Ua. С увеличением Ua растет и величина критической индук­ции (рис. 6.3)

Вкр2 > Вкр1 при Ua2 > Ua1.

При включении источника анодного питания в резонаторах магне­трона возникают колебания СВЧ. Между щелями создается переменное электрическое поле, которое проникает в пространство взаимодействия. Напряженность этого поля в любой точке направлена по касательной к силовым линиям и её можно разложить на тангенциальную Ет и радиаль­ную Ер составляющие. Тангенциальная составляющая всегда параллельна скорости переносного движения v0 и имеет максимальное значение в плоскости АА1, проходящей через середину щели взаимодействия (слайд 47).

 

В плоскостях ББ1 и ББ2 максимальное значение имеет радиальная составляющая. В области между плоскостями АА1 и ББ1 радиальная составляющая совпадает по направлению с напряженностью постоянного электрического поля, и общая напряженность равна Еа + Ер. В области между плоскостями АА1 и ББ2 общая напряженность поля равна Еа - Ер, так как направления составляющих Еа и Ер не совпадают. При колебаниях типа "π" направления составляющих Ет и Ер в соседних резонато­рах взаимно противоположны.

Величины составляющих Ет и Ер изменяются во времени в соответ­ствии с колебаниями в резонаторах, но точки их максимумов и миниму­мов по окружности анода (при " π " колебаниях) не перемещаются. Т.е. переменное электрическое поле в пространстве взаимодействия имеет форму стоячей волны.

Тангенциальная составляющая переменного поля резонаторов тормозит движение электронов вдоль анодного блока и поэтому пополняет энергией резонаторы.

Пусть электроны группы 1, вылетая из катода, попадают в тормо­зящее поле резонатора 1 и проходят плоскость АА1 в момент амплитудного значения поля. В этот момент они испытывают максимальное тор­мозящее действие тангенциальной составляющей СВЧ поля резонатора и отдают полю часть своей кинетической энергии. Отдав энергию полю, электроны уже не могут возвратиться на катод. В точке а1 электроны останавливаются и вновь начинают движение по новой петле циклоиды, вновь получая энергию от электрического и магнитного полей. Если СВЧ поле второго резонатора к этому времени сменится на тормозящее, то электроны вновь отдают энергию полю резонатора и остановятся в точке а2, еще более удаленной от катода.

Такое движение будет продолжаться до тех пор, пока электрон непопадет на анод. Следовательно, электроны, отдающие полю энергию, совершают несколько витков криволинейной траектории. В конце каждого витка электрон останавливается, т.е. отдает всю энергию, полученную от источника анодного питания СВЧ, полю резонатора. Электроны, отда­ющие энергию полю резонатора, называются электронами благоприятной фазы.

У второго резонатора с тормозящим полем к электронам группы 1 добавляются электроны благоприятной группы 2, у третьего - группы 3 и т.д. Следовательно, против щелей с тормозящим полем заряд накап­ливается и вытягивается от катода к аноду, образуя спицу электронов.

Электроны группы 4, которые при выходе из катода попадают в ускоряющее поле резонатора, отбирают у СВЧ поля энергию. В результа­те чего их скорость возрастает и они после первой же петли попадают на катод. Бомбардируя катод, электроны дополнительно нагревают его и поэтому в ряде случаев магнетроны работают при пониженном напряжении накала и даже без него. В этом случае электроны в пространстве взаимодействия находятся очень короткий промежуток времени и не могутпоглотить из поля большого количества энергии, поэтому магнетроны ра­ботают с высоким КПД (70...800/0). В результате ускорения электронов полем СВЧ против щелей резонаторов с ускоряющим полем образуется разрежение электронного потока.

Таким образом, под действием тангенциальной составляющей СВЧ поля резонаторов осуществляется автоматическая сортировка электро­нов. Электроны благоприятной фазы пролетают в тормозящем поле резо­наторов и отдают им энергию, поддерживая колебания, а электроны не­благоприятной фазы выходят из пространства взаимодействия, пройдя только одну щель с ускоряющим полем.

Радиальная составляющая СВЧ поля резонаторов способствует образованию плотных сгустков электронов.

Предположим, что в пространство взаимодействия последовательно влетают три электрона №№ 3, 2, I (слайд 48).

Электрон 2, находящийся в середине щели резонатора, не подвергается действию радиальной составляющей поля, так как она здесь равна нулю и его пе­реносная скорость остается неизменной (v2= v0= Еa/В).

Электрон 1 получает дополнительную скорость, так как в этом мес­те радиальная составляющая поля СВЧ совпадает с напряженностью электрического поля источника анодного питания

Электрон 3, наоборот, тормозится радиальной составляющей поля

,

в результате чего электроны 1 и 3 будут приближаться к электро­ну 2, образуя плотную группу.

Таким образом, под действием поля СВЧ резонаторов электроны группируются в плотные сгустки, движущиеся в тормозящем поле и отдающие энергию резонаторам.

Электронные сгустки представляют собой лучи, напоминающие спицы колеса, вращающиеся со скоростью v0 (слайд 49).

При колебаниях типа "π" число лучей равно половине числа резонаторов. Сгустки электронов, вращаясь вокруг катода, последова­тельно отдают энергию СВЧ полю резонаторов, которая через петлю связи передается в антенно-фидерную систему.

Для поддержания незатухающих колебаний в магнетроне (при колебаниях типа " π ") необходимо, чтобы время пролета электрона от середины щели одного резонатора до середины щели следующего резона­тора было равно половине периода колебаний СВЧ поля:

где n - целое число - 0, I, 2, 3 и т.д.;

T - период СВЧ колебаний.

Это условие называетсяусловием синхронизма. Условие синхро­низма достигается соответствующим выбором величин напряженности электрического поля и магнитной индукции. Напряжение источника питания, при котором выполняется условие синхронизма, называется пороговым. Величина порогового напряжения зависит от магнитной индукции поля. График зависимости анодного напряжения и магнитной индукции показан на слайд 50.

Генерация возможна только при В > Вкр и Ua > Uпор, т.е. внутри области, ограниченной параболой критического режима и порого­вой линией.

В ы в о д ы

1. Колебания в магнетронном генераторе возможны только при магнитной индукции больше критической и при анодном напряжении больше порогового.

2. Принцип действия магнетрона основан на многократном взаимодействии электронного потока с высокочастотным полем резонаторов.

3.Электроны неблагоприятной фазы сразу же, после первого вза­имодействия, возвращаются на катод и отбирают значительную часть энергии от СВЧ поля, поэтому КПД магнетронов составляет(70…80) 0/0.

Третий учебный вопрос.






Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...

Индивидуальные и групповые автопоилки: для животных. Схемы и конструкции...

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...



© cyberpedia.su 2017 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав

0.011 с.