Основы расчета и конструирования магнетронов. Конструирования магнетронов. Смотреть что такое "Магнетрон" в других словарях

Многосекционный магнетрон предложен для генерации мощных СВЧ колебаний и может быть использован преимущественно в передающих устройствах радиолокационных станций обнаружения и наведения, навигационных РЛС, а также в системах связи, сверхвысокочастотных промышленных установках для нагрева. Многосекционный магнетрон содержит магнитную систему, внешний объемный резонатор-сумматор мощности, а его секция включает анод, катод с оптимальным размером радиуса, пространство взаимодействия, резонаторную систему, торцовые полости, крышки торцовых полостей, устройство вывода энергии. Принципиальное отличие от прототипа заключается в том, что многосекционный магнетрон содержит k2 идентичных секций, расположенных на одной центральной продольной оси и соединенных последовательной электрической связью, а внешний объемный резонатор-сумматор мощности выполнен определенным образом, кроме того магнитная система выполнена общей, с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для всех секций. Технический результат заключается в том, что полезная модель «Многосекционный магнетрон» является совершенно новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленной полезной модели, устройством для генерации СВЧ колебаний большой мощности с высоким коэффициентом полезного действия в широком диапазоне длин волн. 1 н.п. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Полезная модель относится к электронной технике, а именно к электровакуумным приборам СВЧ, конкретно к мощным многорезонаторным магнетронам и может быть использована преимущественно в передающих устройствах радиолокационных станций обнаружения и наведения, навигационных РЛС, а также в системах связи, сверхвысокочастотных промышленных установках для нагрева.

В науке и технике импульсные многорезонаторные магнетроны обычной конструкции в зависимости от выходной импульсной мощности P и классифицируются на мощные P и >10 кВт и маломощные P и <10 кВт. Наибольшая мощность и коэффициент полезного действия (КПД) магнетронов могут достигать в дециметровом диапазоне P и =(2,55) МВт, КПД (8085) %; в сантиметровом диапазоне на частоте f=10 ГГц мощность P и =1 МВт при КПД около 55%; в миллиметровом диапазоне на частоте f=35 ГТц мощность P и =100 кВт при КПД около 30% [Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы. - М.: Радио и связь. 1981. 271 с. С.31].

Общим недостатком этих магнетронов является значительное снижение выходной мощности с ростом рабочей частоты, что объясняется соответствующим уменьшением конструктивных размеров анодного блока с резонаторами и катода, а также пространства взаимодействия электронов с СВЧ полем. При этом поперечные размеры анода (анодного отверстия) и катода магнетрона характеризуются соответствующими радиусами r A , r C (диаметрами d A , d C).

Кроме того недостатком, способствующим снижению выходной мощности, является резкое падение электронного и в целом полного КПД с ростом рабочей частоты, что не объясняется ни уменьшением конструктивных размеров магнетронов, ни существующей классической теорией магнетронов и многочисленными аналитическими моделями.

Указанная техническая проблема характерна практически для всех специальных электровакуумных, а также и твердотельных приборов СВЧ.

Известен выбранный в качества аналога многорезонаторный магнетрон, содержащий магнитную систему, анод, катод, пространство взаимодействия, резонаторную систему, торцовые полости, крышки торцовых полостей, устройство вывода энергии. Указанные признаки аналога являются общими с заявленной полезной моделью и совпадают с существенными признаками каждой из секций предложенной полезной модели «Многосекционный магнетрон». Известный аналог в конструктивном отношении выполнен с учетом эмпирической формулы для нахождения соотношения 5 радиусов катода и анода

где N - число резонаторов.

Число резонаторов N выбирается на основании ориентировочных опытных данных в зависимости от рабочего диапазона длин волн (табл.1).

Таблица 1
Опытные данные ориентировочного соответствия числа резонаторов N рабочему диапазону длин волн
, см	>40	2040	1020	510	25	12	<1
N	46	68	812	818	1222	1640	1840

В табл.1 - длина волны в свободном пространстве. Применяют и другие эмпирические формулы для определения соотношения о, которые как и формула (1) не являются единственно правильными [Самсонов Д.Е. Основы расчета и конструирования многорезонаторпых магнетронов. - М.: Сов. Радио. 1966. 224 с. С.40, 94, 123].

Недостатком известного магнетрона является отсутствие оптимизации его энергетических, конструктивных показателей и массогабаритных характеристик. Опыт разработки магнетронов показывает, что при N8 выражение (1) дает заниженное, а в случае N20 - завышенные значения для параметра =r C /r A , что приводит к погрешности в математическом расчете конструктивных характеристик магнетрона по формуле (1) и требует оптимизации энергетических, конструктивных показателей и массогабаритных характеристик магнетрона.

К недостаткам известного аналога относится и то, что улучшение энергетических показателей (КПД, выходной мощности) вызывает ухудшение качественных показателей (массогабаритных характеристик), а также усложнение конструкции магнитной системы.

Эти недостатки устранены в другом, выбранном в качестве прототипа, известном техническом решении магнетрона, у которого наряду с общими с аналогом признаками использован катод с оптимальным размером радиуса, установленным в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия, выполненным с возможностью обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия подбором соответствующего рабочего напряжения U A и магнитной индукции B магнитной системы. [Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА». 2011. 220 с. С.192-195].

При этом электронный КПД находится по формуле

где W - потенциальная энергия электрона, W=|e|U A ;

- кинетическая энергия в среднем «отработавшего» электрона;

Постоянная Планка;

e - элементарный электрический заряд;

U A - рабочее напряжение магнетрона;

B - магнитная индукция магнитной системы;

r A и r C - радиусы анода и катода;

m - масса элементарного заряда;

Относительная нестабильность частоты;

f n - минимальный интервал между гармоническими составляющими излучения электрона, соответствующими флуктуациям его скорости, f n =1 Гц;

N - четное число резонаторов.

Исследование зависимости (2) показывает, что при радиусе анода r A =const электронный КПД магнетрона имеет наибольшее значение при некотором оптимальном размере радиуса катода.

Таким образом с помощью формулы (2) в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия установлены катоды с оптимальными размерами радиусов r Copt (табл.2), что открывает возможности оптимизации энергетических, конструктивных показателей и массогабаритных характеристик магнетронов.

Оптимальные размеры радиуса катода увеличиваются с ростом размеров радиуса анодного отверстия. Но, начиная с некоторых значений радиуса анода r A , оптимальные значения размеров радиуса катода начинают уменьшаться. С целью получения высокой выходной мощности магнетрона следует выбирать максимальные значения радиусов анода и катода и подбирать соответствующий режим работы по рабочему напряжению U A (2) и величине магнитной индукции B магнитной системы для достижения максимального значения электронного коэффициента полезного действия.

Оптимизация радиусов катода прекращается при некоторых максимальных значениях радиусов анода: для магнетронов с числом резонаторов N=14 радиус r Amax =11 мм, в случае N=16 радиус r Amax =13 мм и т.д.

С увеличением радиусов анода оптимальные значения размеров радиусов катода сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Очевидно, что катоды большего диаметра способны выдержать и большую мощность.

Таблица 2
Конструктивные характеристики магнетронов с катодами с оптимальными размерами радиусов
r A , r Copt , мм	N=12
r A	1	1,5	2	2,5	3	4	5	6
r Copt	0,33	0,5	0,66	0,82	0,96	1,2	1,3	1,2
r A	7	8	9	10
r Copt	1,0	0,7	0,3	-
	N=14
r A	1	1,5	2	2,5	3	4	5	6
r Copt	0,33	0,5	0,66	0,82	0,98	1,2	1,4	1,5
r A	7	8	9	10	11
r Copt	1,4	1,2	0,9	0,6	-
	N=16
r A	1	1,5	2	2,5	3	4	5	6
r Copt	0,33	0,5	0,66	0,83	0,99	1,3	1,4	1,7
r A	7	8	9	10	11	12	13
r Copt	1,7	1,6	1,4	1,2	0,8	0,4	-
	N=18
r A	1	1,5	2	2,5	3	4	5	6
r Copt	0,3 3	0,5	0,67	0,83	0,99	1,3	1,6	1,8
r A	7	8	9	10	13	14	15
r Copt	1,9	1,9	1,8	1,7	0,6	0,2	-

Продолжение таблицы 2
r A , r Copt , мм	N=28
r A	2,5	3	4	5	6	7	8	9
r Copt	0,83	1	1,3	1,6	1,9	2,2	2,5	2,7
r A	10	20	21
r Copt	2,9	1,1	0,7
	N=30
r A	2,5	3	4	5	6	7	8	9
r Copt	0,83	1	1,3	1,7	2	2,3	2,5	2,8
r A	20	22	23
r Copt	1,8	0,9	0,5
	N=32
r A	2,5	3	4	5	6	7	8	9
r Copt	0,83	1	1,3	1,7	2	2,3	2,6	2,8
r A	10	20	22	23	24
r Copt	3	2,3	1,6	1,2	0,8
	N=34
r A	2,5	3	4	5	6	7	8	9
r Copt	0,83	1	1,3	1,7	2	2,3	2,6	2,9
r A	10	20	23	24	25
r Copt	3,1	2,9	1,9	1,5	1
	N=36
r A	2,5	3	4	5	6	7	8	9
r Copt	0,83	1	1,3	1,7	2	2,3	2,6	2,9
r A	10	20	23	24	25	26
r Copt	3,1	3,3	2,5	2,1	1,7	1,3

Расчет электронного КПД с помощью формулы (2) позволил установить основные конструктивные характеристики магнетронов табл.2, при которых электронный КПД имеет наибольшее значение. Полученные результаты соответствуют основным закономерностям теории и практики разработки магнетронов [Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА». 2011. 220 с. С.198-199].

Недостатками магнетрона с катодом с оптимальным размером радиуса являются ограниченные размеры радиуса анода, а также небольшие радиусы катода, размеры которых не превышают нескольких миллиметров (табл.2), что в целом ведет к уменьшению выходной мощности. Указанные ограничения открывают возможность соединения в единой конструкции нескольких идентичных магнетронов с установленными оптимальными размерами радиусов катодов, что позволяет в разы увеличить выходную мощность. В предлагаемой конструкции отдельные идентичные магнетроны условно можно назвать идентичными секциями, количество которых в общем случае равно k2.

Технической задачей заявленной полезной модели является разработка нового многосекционного магнетрона, конструктивные и функциональные особенности которого позволяют повысить КПД и выходную мощность в широком диапазоне длин волн.

Реализация указанной технической задачи заявленной полезной моделью обеспечивает следующий технический результат, являющийся суммой полученных технических эффектов:

Катод имеет установленный в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия по формуле (2) на странице 3 оптимальный размер радиуса r Copt на страницах 5, 6, 8, 9, 12, 16 табл.2 на страницах 5, 6, соответствующий выбранному на основании эмпирически установленного ориентировочного соотношения 2r A 0,3 на страницах 10, 12, 16 радиусу анода и выбранному из табл.1 четному числу N резонаторов на основании опытных данных в зависимости от длины волны в свободном пространстве, для обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия каждой секции подбором соответствующего рабочего напряжения U A и магнитной индукции B магнитной системы многосекционного магнетрона и повышает на 2030% электронный КПД каждой секции. Соотношение 2r A 0,3 общеизвестно из уровня техники [Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.2. Электровакуумные приборы СВЧ. - М.: Изд. «Высшая школа». 1972. 375 с. С.297-298];

Применение внешнего объемного резонатора-сумматора мощности для суммирования мощности идентичных секций повышает стабильность рабочей частоты каждой секции и поэтому электронный КПД и выходная мощность многосекционного магнетрона растет с повышением стабильности рабочей частоты;

Внешний объемный резонатор-сумматор мощности включает продольные щели, прорезанные по средней линии его широкой стенки, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны, что обеспечивает синфазную и устойчивую работу секций, что также способствует повышению КПД и выходной мощности;

Использование в полезной модели двух или более идентичных секций, представляющих собой, по сути, два или более идентичных магнетрона каждый с катодом, имеющим установленный оптимальный размер радиуса r Copt табл.2, без магнитных систем, позволяет практически удвоить, утроить и так далее (то есть увеличить в k2 раз), выходную мощность путем суммирования мощности каждой секции во внешнем резонаторе-сумматоре мощности;

Сложение мощностей двух или более секций является актуальной задачей, так как приводит к снижению стоимости СВЧ генераторов;

Магнитная система выполнена общей, с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для всех секций, что позволяет улучшить качественные массогабаритные характеристики магнетрона;

Каждая электрическая связь между секциями образована соответствующими, как минимум четырьмя, металлическими пазовыми соединениями, что создает воздушный промежуток между секциями и приводит к более эффективному воздушному охлаждению анодных блоков.

Для достижения указанного технического результата предложен «Многосекционный магнетрон», содержащий магнитную систему, внешний объемный резонатор-сумматор мощности, а его каждая секция включает анод, катод с оптимальным размером радиуса, пространство взаимодействия, резонаторную систему, торцовые полости, крышки торцовых полостей, устройство вывода энергии.

Принципиальным отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что многосекционный магнетрон содержит k2 идентичных секций, расположенных на одной центральной продольной оси и соединенные последовательной электрической связью. Внешний объемный резонатор-сумматор мощности включает продольные щели, прорезанные по средней линии его широкой стенки, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны. Магнитная система выполнена общей, с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для всех секций.

Дополнительными отличиями является то, что каждая электрическая связь между секциями образована соответствующими, как минимум четырьмя, металлическими пазовыми соединениями, а внешний объемный резонатор-сумматор мощности выполнен в форме отрезка прямоугольного волновода.

Другими дополнительными отличиями является то, что каждая секция многосекционного магнетрона имеет катод с оптимальным размером радиуса r Copt табл.2, установленным в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия. Катод с оптимальным размером радиуса выполнен с возможностью обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия каждой секции многосекционного магнетрона путем подбора соответствующего рабочего напряжения U A и магнитной индукции B магнитной системы. Анод имеет радиус анодного отверстия, выбранный на основании эмпирически установленного ориентировочного соотношения между диаметром анода и длиной волны в свободном пространстве 2r A 0,3 , а резонаторная система содержит четное число N резонаторов, выбранное из табл.1 на основании опытных данных в зависимости от длины волны в свободном пространстве.

Такое взаимное расположение конструктивных элементов и их взаимосвязь необходимы для получения практически увеличенной в k2 раз выходной мощности путем суммирования мощности каждой секции во внешнем резонаторе-сумматоре мощности, значительного повышения электронного и в целом полного КПД магнетрона.

Именно наличие в заявленной полезной модели общих отличительных и дополнительных отличительных признаков позволяет не только повысить основные энергетические параметры такие, как выходная мощность и КПД, но и значительно улучшить качественные массогабаритные характеристики магнетрона, снизить стоимость устройства.

Сущность полезной модели для случая двух секций поясняется чертежами:

Фиг.1 - Многосекционный магнетрон, общий вид, вид спереди;

Фиг.2 - Многосекционный магнетрон, общий вид, разрез А-А;

Фиг.3 - Многосекционный магнетрон, внешний объемный резонатор-сумматор мощности, общий вид;

Фиг.4 - Многосекционный магнетрон, структурная схема. На фиг.1 представлен Многосекционный магнетрон, общий вид, вид спереди:

1. Первая секция магнетрона (H - длина секции);

1.1. Анод (d A - диаметр анода, h - длина анода с резонаторами);

1.2. Катод (d Copt - оптимальный размер диаметра катода);

1.5. Торцовая полость (h - длина торцовой полости);

1.6. Крышка торцовой полости;

2. Вторая секция магнетрона (H - длина секции);

2.1. Анод (d A - диаметр анода, h - длина анода с резонаторами);

2.2. Катод (d Copt - оптимальный размер диаметра катода);

2.3. Пространство взаимодействия;

2.4. Резонаторная система (N - четное число резонаторов в PC);

2.5. Торцовая полость (h - длина торцовой полости);

2.6. Крышка торцовой полости;

2.7. Устройства вывода энергии;

3. Магнитная система;

5. Металлическое пазовое соединение секций (h - длина пазового соединения).

Две секции 1, 2 фиг.1 многосекционного магнетрона идентичны и расположены на одной центральной продольной оси и электрически связаны между собой. Причем каждая электрическая связь образована соответствующими, как минимум четырьмя, металлическими пазовыми соединениями 5 фиг.1. Воздушный промежуток между секциями в области пазовых соединений предоставляет возможность более эффективного воздушного охлаждения внешней поверхности анодов 1.1, 2.1 фиг.1.

Магнитная система 3 фиг.1 выполнена общей, с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для обеих секций 1, 2 фиг.1.

Внешний объемный резонатор-сумматор мощности 4 фиг.1 включает продольные щели 4.1, 4.2 фиг.3, прорезанные по средней линии его широкой стенки, с реактивными вибраторами 4.3 фиг.3, помещенными рядом с серединами щелей по разные их стороны.

В каждой секции 1, 2 фиг.1 многосекционного магнетрона применяется анод 1.1, 2.1 фиг.1 с катодом 1.2, 2.2, отличающиеся оптимальным соотношением радиусов (диаметров) анода (анодного отверстия) и катода =r Copt /r A =d Copt /d A . При этом диаметр анода выбирается на основании эмпирически установленного ориентировочного соотношения между диаметром анода и длиной волны в свободном пространстве d A 0,3 , где - длина волны в свободном пространстве, а длина анода h0,3 .

В пространстве взаимодействия 1.3, 2.3 фиг.1 с подачей рабочего напряжения действуют скрещенные (взаимно перпендикулярные) постоянное электрическое поле и постоянное магнитное поле магнитной системы 3 фиг.1.

Число резонаторов резонаторных систем 1.4, 2.4 фиг.1 четное и выбирается на основании табл.1.

Торцовые полости 1.5, 2.5 фиг.1 из соображений электрической прочности магнетрона имеют длину h"=2(r A -r Copt) и закрываются крышками 1.6, 2.6 фиг.1. Ho так как катоды имеют радиусы, не превышающие 3,7 мм (табл.2), целесообразно выбирать длину h"1,5(r A -r Copt).

Вывод электромагнитной энергии из каждой секции 1, 2 фиг.1 осуществляется посредством устройств вывода энергии 1.7, 2.7 фиг.1, представляющих собой щель в одном из резонаторов резонаторных систем (PC) 1.4, 2.4 фиг.1.

На фиг.2 представлен Многосекционный магнетрон, общий вид, разрез А-А:

1. Первая секция;

1.2. Катод;

1.3. Пространство взаимодействия;

1.4. Резонаторная система (N - четное число резонаторов в PC);

1.7. Устройства вывода энергии;

4. Внешний объемный резонатор-сумматор мощности;

4.1. Продольную щель;

4.3. Реактивные вибраторы.

Выходная мощность из секции 1 фиг.2 через щель 1.7 фиг.2 в одном из резонаторов PC 1.4 фиг.2 подводится к внешнему объемному резонатору-сумматору мощности 4 фиг.2 через продольную щель 4.1 фиг.2 в середине широкой стенки отрезка прямоугольного волновода. Рядом с серединой продольной щели 4.1 фиг.2 расположен реактивный вибратор 4.3 фиг.2. На фиг.2 для примера показано только четыре резонатора в PC 1.4. Реальное количество резонаторов может быть четным до 40 и более.

На фиг.3 представлен Многосекционный магнетрон, внешний объемный резонатор-сумматор мощности, общий вид:

4. Внешний объемный резонатор-сумматор мощности;

4.1. Продольная щель;

4.2. Продольная щель;

4.3. Реактивные вибраторы;

Внешний объемный резонатор-сумматор мощности 4 фиг.1, 2, 3 выполнен в форме отрезка прямоугольного волновода. В конструкции внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.3 имеются продольные щели в середине широкой стенки отрезка прямоугольного волновода 4.1, 4.2 фиг.3 длиной /2, где - длина волны в свободном пространстве. Расстояние между центрами щелей 4.1, 4.2 фиг.3 соответствует L=|2, где - длина волны в волноводе, определяет расстояние по оси между секциями 1, 2 фиг.1 h=L-H. Для возбуждения щелей используются реактивные вибраторы 4.3 фиг.3, помещенные рядом с серединами щелей по разные их стороны. Длина внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.3 равна n|2, где n=1, 2, 3 . В качестве устройства вывода энергии 4.4 фиг.3 из внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.3 в волноводный тракт может быть использован четвертьволновый трансформатор.

На фиг.4 представлен Многосекционный магнетрон, структурная схема:

1. Первая секция;

1.7. Устройство вывода энергии;

2. Вторая секция;

2.7. Устройство вывода энергии;

4. Внешний объемный резонатор-сумматор мощности;

4.1. Продольная щель;

4.2. Продольная щель;

4.3. Реактивные вибраторы;

4.4. Устройство вывода энергии.

Секции 1, 2 фиг.4 параллельно запитаны рабочим напряжением U A от общего источника питания - импульсного модулятора. Устройства вывода генерируемой электромагнитной энергии 1.7, 2.7 фиг.4 подключены к продольным щелям 4.1, 4.2 фиг.4 внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.4. Реактивные вибраторы 4.3 фиг.4, помещены рядом с серединами щелей и установлены по разные их стороны. Выход внешнего объемного резонатора-сумматора мощности 4 фиг.4 связан с волноводным трактом через устройство вывода энергии 4.4 фиг.4.

Устройство работает следующим образом

Многосекционный магнетрон предназначен для генерации мощных СВЧ колебаний в составе передающего устройства радиолокационной станции. При включении передающего устройства аноды 1.1, 2.1 и катоды 1.2, 2.2 фиг.1, 2 секций 1, 2 фиг.1, 2, 4 параллельно запитаны рабочим напряжением U A от общего источника питания - импульсного модулятора. При рабочей температуре катодной поверхности эмитирующий слой катодов 1.2, 2.2 фиг.1, 2 испускает электроны в пространство взаимодействия 1.3, 2.3 фиг.1, 2. В результате в пространстве взаимодействия 1.3, 2.3 фиг.1, 2 формируются электронные облака, которые под действием силы Лоренца, вызванной воздействием на электроны взаимно перпендикулярных постоянных электрических (связанных с рабочим напряжением U A фиг.4) и магнитных (связанных с магнитной системой 3 фиг.1) полей, начинают вращаться вокруг катодов 1.2, 2.2 фиг.1, 2. Электроны вращающегося электронного облака согласно закону электромагнитной индукции Фарадея наводят в каждом из анодов 1.1, 2.1 фиг.1, 2 высокочастотные токи и соответствующие им высокочастотные поля. Электроны вращающегося облака вступают во взаимодействие с тангенциальной и радиальной составляющими наведенного ими высокочастотного поля. Роль тангенциальной составляющей поля заключается в модуляции электронов по скорости и, как следствие, в образовании из вращающегося электронного облака «спицеобразного» электронного потока (модуляция по плотности). Роль радиальной составляющей поля заключается в фазовой фокусировке (группировке) электронов в «спицах». При обеспечении условия синхронизма, когда поступательная скорость электронов в «спицах» чуть больше или примерно равна фазовой скорости возбужденных в резонаторной системе высокочастотных колебаний, «спицы» находятся в области тормозящего тангенциального поля. Электроны в «спицах» движутся по циклоидальным или близким к ним петлеобразным траекториям от катода 1.2, 2.2 к аноду 1.1, 2.1 фиг.1, 2, отдавая свою потенциальную энергию тормозящему тангенциальному полю. В результате наведенное СВЧ поле усиливается и через устройства вывода энергии 1.7, 2.7 фиг.1, 2, 4 поступает во внешний объемный резонатор-сумматор мощности 4 фиг.1, 2, 3, 4 через продольные щели 4.1, 4.2 фиг.2, 3, 4.

Электроны, будучи элементарными электрическими зарядами, рассматриваются в магнетроне как классические объекты. Однако с ростом рабочей частоты возрастают не учитываемые классической теорией энергетические потери, ввиду чего электронный, а, следовательно, и полный КПД магнетронов резко падает. В прототипе и в заявленной полезной модели учтен волновой характер электронов и соответствующая неопределенность в их координатах (импульсах), что позволило выявить механизм энергетических потерь с ростом рабочей частоты, учтенный в формуле (2), и оптимизировать конструктивные характеристики магнетронов. Расчет электронного КПД по формуле (2) на странице 3 показал, что катод имеет установленный оптимальный размер радиуса r Copt табл.2 на странице 5, 6, соответствующий радиусу анодного отверстия, выбранному на основании эмпирически установленного ориентировочного соотношения между диаметром анода и длиной волны в свободном пространстве 2r A 0,3 , а также четному числу N резонаторов, выбранному из табл.1 на основании опытных данных в зависимости от длины волны в свободном пространстве. Катод с оптимальным размером радиуса выполнен с возможностью обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия каждой секции многосекционного магнетрона путем подбора соответствующего рабочего напряжения U A и магнитной индукции В магнитной системы.

Установлено также, что энергетические потери пропорциональны квадрату относительной нестабильности частоты и уменьшаются с увеличением добротности резонаторных систем, как описано в прототипе [Плахотник А.С. Электронные приборы сверхвысокой частоты. Классические и микроскопические флуктуационные методы повышения энергетических и качественных показателей: монография. - Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова ВУНЦ ВМФ «ВМА». 2011. 220 с. С.186, 192]. Эти подходы и реализованы в конструкции каждой секции многосекционного магнетрона.

Во внешний объемный резонатор-сумматор мощности 4 фиг.1, 2, 3, 4 электромагнитная энергия из устройств вывода энергии 1.7, 2.7 фиг.1, 2, 4 поступает через продольные щели в середине широкой стенки отрезка прямоугольного волновода 4.1, 4.2 фиг.2, 3, 4. Поскольку щели прорезаны по средней линии широкой стенки волновода, то они возбуждаться не будут. Для возбуждения щелей используются реактивные вибраторы 4.3 фиг.2, 3, 4, помещенные рядом с серединами щелей. Реактивные вибраторы 4.3 фиг.2, 3, 4, установленные по разные стороны щелей 4.1 и 4.2 фиг.2, 3, 4, меняют фазу возбуждения на 180°. С учетом расстояния между серединами щелей 4.1 и 4.2 фиг.2, 3, 4, равного половине длины волны в волноводе, обеспечивается синфазная и устойчивая работа секций 1, 2 фиг.1, 2, 4, что также способствует повышению КПД и выходной мощности.

Заявленная полезная модель «Многосекционный магнетрон» является новым, не использованным в науке и технике до даты приоритета заявленной полезной модели, устройством для генерации СВЧ колебаний большой мощности в широком диапазоне длин волн. Заявленное устройство обладает следующими достоинствами:

Использование в полезной модели двух или более идентичных секций позволяет практически увеличить в k2 раз выходную мощность путем суммирования мощности каждой секции во внешнем резонаторе-сумматоре мощности;

Реализация катодов с оптимальными размерами радиусов табл.2, установленными в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия по формуле (2), повышает на 2030% электронный КПД каждой секции;

Использование в полезной модели внешнего объемного резонатора-сумматора мощности повышает стабильность рабочей частоты и соответственно электронный КПД и выходную мощность многосекционного магнетрона;

1. Многосекционный магнетрон, содержащий магнитную систему, внешний объемный резонатор-сумматор мощности, а его каждая секция включает анод, катод с оптимальным размером радиуса, пространство взаимодействия, резонаторную систему, торцовые полости, крышки торцовых полостей, устройство вывода энергии, отличающийся тем, что многосекционный магнетрон содержит k>2 идентичных секций, расположенных на одной центральной продольной оси и соединенные последовательной электрической связью, а внешний объемный резонатор-сумматор мощности включает продольные щели, прорезанные по средней линии его широкой стенки, с реактивными вибраторами, помещенными рядом с серединами щелей и по разные их стороны, кроме того, магнитная система выполнена общей, с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для всех секций.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая электрическая связь образована соответствующими, как минимум четырьмя, металлическими пазовыми соединениями.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешний объемный резонатор-сумматор мощности выполнен в форме отрезка прямоугольного волновода.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая секция многосекционного магнетрона имеет катод с оптимальным размером радиуса, установленным в процессе расчета электронного коэффициента полезного действия.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что катод с оптимальным размером радиуса выполнен с возможностью обеспечения максимального значения электронного коэффициента полезного действия каждой секции многосекционного магнетрона путем подбора соответствующего рабочего напряжения U A и магнитной индукции B магнитной системы.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что резонаторная система содержит четное число N резонаторов, выбранное на основании опытных данных в зависимости от длины волны в свободном пространстве.

Чтобы сузить результаты поисковой выдачи, можно уточнить запрос, указав поля, по которым производить поиск. Список полей представлен выше. Например:

Можно искать по нескольким полям одновременно:

Логически операторы

По умолчанию используется оператор AND .
Оператор AND означает, что документ должен соответствовать всем элементам в группе:

исследование разработка

Оператор OR означает, что документ должен соответствовать одному из значений в группе:

исследование OR разработка

Оператор NOT исключает документы, содержащие данный элемент:

исследование NOT разработка

Тип поиска

При написании запроса можно указывать способ, по которому фраза будет искаться. Поддерживается четыре метода: поиск с учетом морфологии, без морфологии, поиск префикса, поиск фразы.
По-умолчанию, поиск производится с учетом морфологии.
Для поиска без морфологии, перед словами в фразе достаточно поставить знак "доллар":

$ исследование $ развития

Для поиска префикса нужно поставить звездочку после запроса:

исследование*

Для поиска фразы нужно заключить запрос в двойные кавычки:

" исследование и разработка"

Поиск по синонимам

Для включения в результаты поиска синонимов слова нужно поставить решётку "# " перед словом или перед выражением в скобках.
В применении к одному слову для него будет найдено до трёх синонимов.
В применении к выражению в скобках к каждому слову будет добавлен синоним, если он был найден.
Не сочетается с поиском без морфологии, поиском по префиксу или поиском по фразе.

# исследование

Группировка

Для того, чтобы сгруппировать поисковые фразы нужно использовать скобки. Это позволяет управлять булевой логикой запроса.
Например, нужно составить запрос: найти документы у которых автор Иванов или Петров, и заглавие содержит слова исследование или разработка:

Приблизительный поиск слова

Для приблизительного поиска нужно поставить тильду "~ " в конце слова из фразы. Например:

бром~

При поиске будут найдены такие слова, как "бром", "ром", "пром" и т.д.
Можно дополнительно указать максимальное количество возможных правок: 0, 1 или 2. Например:

бром~1

По умолчанию допускается 2 правки.

Критерий близости

Для поиска по критерию близости, нужно поставить тильду "~ " в конце фразы. Например, для того, чтобы найти документы со словами исследование и разработка в пределах 2 слов, используйте следующий запрос:

" исследование разработка"~2

Релевантность выражений

Для изменения релевантности отдельных выражений в поиске используйте знак "^ " в конце выражения, после чего укажите уровень релевантности этого выражения по отношению к остальным.
Чем выше уровень, тем более релевантно данное выражение.
Например, в данном выражении слово "исследование" в четыре раза релевантнее слова "разработка":

исследование^4 разработка

По умолчанию, уровень равен 1. Допустимые значения - положительное вещественное число.

Поиск в интервале

Для указания интервала, в котором должно находиться значение какого-то поля, следует указать в скобках граничные значения, разделенные оператором TO .
Будет произведена лексикографическая сортировка.

Такой запрос вернёт результаты с автором, начиная от Иванова и заканчивая Петровым, но Иванов и Петров не будут включены в результат.
Для того, чтобы включить значение в интервал, используйте квадратные скобки. Для исключения значения используйте фигурные скобки.

диод в магнитном поле, направленном по его оси; в электронной технике - генераторный электровакуумный прибор СВЧ, в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.

Термин «Магнетрон » был введён американским физиком А. Халлом (A. Hull), который в 1921 впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы Магнетрон в статическом режиме и предложил ряд конструкций Магнетрон Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн (на волнах l ³ 29 см ) посредством Магнетрон открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек. В 20-е годы влияние магнитного поля на генерирование колебаний СВЧ исследовали физики: Е. Хабан (1924, Германия), А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг (1926-1929, СССР), К. Окабе и Х. Яги (1928-1929, Япония), И. Ранци (1929, Италия). В 30-е годы исследования Магнетрон как генератора СВЧ велись во многих странах. Основная задача этого периода - увеличение выходной мощности генерируемых колебаний - была решена в 1936-1937 советскими инженерами Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым под руководством Магнетрон А. Бонч-Бруевича . Они увеличили мощность Магнетрон на 2 порядка (до 300 вт на волне 9 см ), применив в качестве анода массивный медный блок, содержащий ряд резонаторов. Магнетрон такой конструкции называют многорезонаторным. Эта конструкция Магнетрон оказалась настолько совершенной, что в последующие годы во всём мире разрабатывались и выпускались только многорезонаторные Магнетрон В Магнетрон применяют катод, имеющий форму полого цилиндра, внутри которого располагается подогреватель. Катод такой формы впервые был предложен для радиоламп советским академиком А. А. Чернышевым в 1918. В 30-е годы многие инженеры предлагали для Магнетрон катоды в форме полого цилиндра, например американский инженер К. Хенсел в 1933 (для Магнетрон , у которого катод окружает анод), американские инженеры Л. Молтер, Дж. Райхман, Р. Гудрич в 1936 (для использования вторичной эмиссии катода в Магнетрон ), советский инженер В. П. Илясов в 1939 (для многорезонаторного Магнетрон ).

В 40-70-е годы в многорезонаторный Магнетрон инженерами многих стран (СССР, Великобритании, США, Японии и других) был внесён ряд улучшений, были разработаны более тысячи типов многорезонаторных Магнетрон , в основном для радиолокации . С конца 60-х годов резко увеличился выпуск Магнетрон непрерывного генерирования колебаний на волне ~ 12 см для нагрева полями СВЧ в печах бытового назначения (мощностью 0,5-3 квт ) и промышленных установках (мощностью 5-100 квт ). В 1950-1970-е годы на основе многорезонаторного Магнетрон был создан ряд приборов для генерации и усиления колебаний СВЧ (см. Магнетронного типа приборы ).

Распространение Магнетрон вызвано высоким кпд (до 80%), компактностью конструкции и стабильностью работы при сравнительно невысоких анодных напряжениях. В начале 70-х годов промышленно развитыми странами выпускаются Магнетрон для работы на различных частотах от 0,5 до 100 Ггц, с мощностями от нескольких вт до десятков квт в непрерывном режиме генерирования колебаний и от 10 вт до 5 Мвт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков мксек. Магнетрон выпускаются как неперестраиваемые (фиксированная частота), так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10%). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в сек ) - ротационные и вибрационные механизмы.

В простейшей конструкции многорезонаторного Магнетрон (рис. 1 ) анодный блок представляет собой массивный медный цилиндр с центральным круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40), выполняющими роль объёмных резонаторов . Каждый резонатор соединяется щелью с центральным отверстием, в котором расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему . Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн от 1 до /2 ( - число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при котором число полуволн равно числу резонаторов (так называемый p-вид колебаний). Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на p. Для стабильной работы Магнетрон (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10%). Так как в Магнетрон с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной (рис. 2 , а), её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока (рис. 2 , б), либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные - другой) (рис. 2 , в).

В многорезонаторном Магнетрон на электроны, движущиеся в пространстве между катодом и анодным блоком, действуют 3 поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле и электрическое поле СВЧ (резонаторной системы). При перемещении электронов в радиальном направлении (от катода к аноду) энергия источника анодного напряжения преобразуется в кинетическую энергию электронов. Под влиянием постоянного магнитного поля, направленного по оси катода (перпендикулярно постоянному электрическому полю), электроны изменяют направление движения: их радиальная скорость переходит в тангенциальную, перпендикулярную радиальной, Так как часть электрического поля СВЧ через щели резонаторов проникает в пространство анод - катод, то электроны при движении в тангенциальном направлении тормозятся тангенциальной составляющей электрического поля СВЧ, и поэтому их энергия, полученная от источника постоянного напряжения, преобразуется в энергию колебаний СВЧ. Поле СВЧ дважды за период колебаний меняет направление. Для непрерывного торможения электронов необходимо, чтобы они от одного резонатора к соседнему (в тангенциальном направлении) перемещались за полпериода. Такой синхронизм между перемещением электронов и тормозящим электрическим полем СВЧ является основным принципом работы многорезонаторного Магнетрон Электроны, которые попадают в ускоряющее поле СВЧ, увеличивают свою кинетическую энергию и выпадают из синхронизма. Они либо возвращаются на катод, либо попадают в тормозящее поле СВЧ и снова входят в синхронизм.

Типичные характеристики Магнетрон приведены на рис. 3 . Магнетрон начинает работать, когда анодное напряжение достигает значения, соответствующего началу синхронизма. С увеличением напряжения условия синхронизма улучшаются; сила тока, выходная мощность и кпд Магнетрон увеличиваются. При оптимальных условиях синхронизма кпд Магнетрон достигает максимума. Дальнейшее повышение анодного напряжения постепенно ухудшает синхронизм и сопровождается снижением кпд, несмотря на увеличение силы тока и выходной мощности.

Лит.: Алексеев Н. Ф., Маляров Д. Е., Получение мощных колебаний магнетроном в сантиметровом диапазоне волн, «Журнал технической физики», 1940, т. 10, в. 15, с. 1297-1300; Фиск Д., Хагструм Г., Гатман П., Магнетроны, пер. с англ., Магнетрон , 1948; Бычков С. И., Магнетронные генераторы, Л., 1948; Магнетроны сантиметрового диапазона, пер. с англ., под ред. С. А Зусмановского, ч. 1-2, Магнетрон , 1950-51, Коваленко В. Ф., Введение в электронику сверхвысоких частот, 2 изд., Магнетрон , 1955; Самсонов Д. Е., Основы расчёта и конструирования многорезонаторных магнетронов, Магнетрон , 1966.

Статья про слово "Магнетрон " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 13360 раз

Контрольная работа

Магнетроны

1. Устройство магнетрона

Литература

1. Устройство магнетрона

Магнетрон – это диод с постоянным магнитным полем, перпендикулярным направлению электрического поля. Колебательная система магнетрона образована рядом объемных резонаторов, выполненных в толще анодного блока (рис.1).

Рис.1

Электроны эмитируются цилиндрическим катодом. Пространство между катодом и анодом называется пространством взаимодействия. В этой области постоянное электрическое поле направлено по радиусу, магнитное – перпендикулярно плоскости чертежа и в ней происходит обмен энергиями между электронами и СВЧ полем. Объемные резонаторы связаны с пространством взаимодействия через щели, поэтому СВЧ поле провисает в пространство взаимодействия. При определенных условиях в многорезонаторном магнетроне возникают колебания. Энергия выводится с помощью петли, находящейся в одном из резонаторов и коаксиальной линии или волновода. Так как постоянное электрическое поле направлено по радиусу, а постоянное магнитное поле – вдоль оси катода, электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны (скрещение поля).

2. Статические характеристики цилиндрического магнетрона

Статическими характеристиками называются зависимости (рис. 2)

При

При

при отсутствии СВЧ колебаний.

Рис. 2

Согласно курсу «Специальные разделы физики», траектория движения электрона в скрещенных электрическом и магнитном полях описывается траекторией точки, находящейся на ободе катящегося колеса (рис.3).

Рис.3

Если увеличивать индукцию магнитного поля при неизменном анодном напряжении U a = Const то радиус катящего круга постепенно уменьшается. Электронные траектории, которые при B =0 нормальны к поверхностям анода и катода начинают искривляться. При d =2 R в плоском магнетроне электроны лишь касаются анода в вершине циклоиды. При d >2 R электроны, не доходя до анода, совершают многократные колебания по циклоиде. Ток анода резко падает. Соответствующая величина магнитной индукции называется критической индукцией B kp . Конечная скорость спада тока при B = B kp и наличие небольшого тока I a  0 при B > B kp объясняется влиянием начальных скоростей электронов, колебаниями, спонтанно возникающими в электронном облаке магнетрона, и рядом других факторов.

Таким образом, в плоском диоде при

В цилиндрическом магнетроне

Где – радиус катода;

– радиус анода.

При неизменной величине B существует критическое анодное напряжение, ниже которого ток через диод становится равным нулю.

Это уравнение определяет параболу критического режима (рис.4.)

Рис. 4.

Значение и являются важными параметрами, характеризующими работу магнетрона (рис.4). не только в статическом режиме, но и при наличии СВЧ колебаний. Рабочей областью магнетрона является область под параболой критического режима, где:

B > B kp ; U a < U akp .

3. Виды колебаний анодного блока многорезонаторного магнетрона

Колебательная система многорезонаторного магнетрона состоит из объемных резонаторов и пространства взаимодействия. Соседние резонаторы связаны пространством взаимодействия, поэтому колебательную систему можно представить замкнутой цепочкой связанных резонаторов (рис.5),

Рис. 5.

Где: L и C – эквивалентные индуктивность и емкость идентичных резонаторов; С k – емкость между сегментом и катодом, которая определяет емкостную связь между резонаторами.

Предполагается, что магнитная связь между резонаторами отсутствует.

В замкнутой системе цепочки резонаторов (звеньев фильтра) могут возбуждаться только те колебания, для которых сумма сдвигов фазы в звеньях при одном обходе кратна величине 2  . Сдвиг фазы на одно звено  0 , т.е. между колебаниями в соседних резонаторах, может принимать лишь следующие дискретные значения:

где N – число резонаторов, n – целое число, называемое номером вида колебаний. В теории фильтров доказывается, что сдвиг фазы на одно звено  0 в полосе прозрачности системы не может быть более 180  , поэтому номер вида и соответствующие ему углы приобретают лишь следующие значения:

				….
 0				….

Вид колебаний n =0,  0 =0 называется синфазным, а n = N /2,  0 =  – противофазным или  – видом.

Соотношение называют условием цикличности или замкнутости СВЧ – поля магнетрона.

Каждому виду колебаний соответствует собственная частота колебательной системы. Переход к другому виду означает изменение сдвига фазы  0 на одно звено, а при фиксированных параметрах L , C , C k каждого звена каждое новое значение  0 можно получить только на другой частоте. Расчет по эквивалентной схеме приводит к формуле для частоты  k / n вида колебаний с номером n :

где – собственная резонансная частота изолированного резонатора.

Расчет по теории фильтров дает

Где: – последовательное сопротивление лестничной структуры;

– параллельное сопротивление лестничной структуры.

откуда:

Из формулы видно, что с ростом n растет частота. Для  -вида

Для вида n =0 формула неприемлема. Каждому виду соответствует вполне определенная картина СВЧ поля в пространстве взаимодействия. Например, при N =8 для видов n =4 и n =2 картины поля в пространстве взаимодействия имеют вид рис.

Рис.

Рабочим видом колебаний в многорезонаторных магнетронах, обеспечивающим максимальный к.п.д., является  -вид.  -вид возможен только при четном количестве резонаторов.

СВЧ поле имеет азимутальную E  и радиальную E r составляющие. Картина распределения азимутальной составляющей СВЧ поля по азимуту имеет вид рис.7.

Рис.7.

Зависимость поля от азимута несинусоидальная, поэтому как и в замедляющих системах с периодическими неоднородностями, необходимо учитывать пространственные гармоники.

Понятие пространственных гармоник введено для бегущих волн, а в пространстве взаимодействия магнетрона поле имеет характер стоячей волны. Очевидно, что несинусоидальную по азимуту стоячую волну можно представить как суперпозицию двух несинусоидальных по азимуту волн, бегущих в противоположных направлениях. Каждую из этих волн можно заменить суммой пространственных гармоник. В результате для каждого номера гармоники имеется две синусоидальных волны, бегущих с равными фазовыми скоростями, но в противоположных направлениях.

Условие цикличности справедливо лишь для нулевой пространственной гармоники (p =0) любого вида колебаний. Для гармоники с номером p сдвиг фазы на одно звено системы фильтров.

; где

Очевидно, что волна нулевой гармоники вида n совершает один обход пространство взаимодействия за время nT n , а путь между соседними резонаторами за время

где T n – период высокочастотного поля вида n . Для гармоники с номером p время движения между соседними резонаторами на целое число периодов больше, чем, т.е.

Поэтому угловая скорость волны пространственной гармоники p -номера вида n , для геометрического угла между соседними резонаторами

Из формулы следует, что для любого вида колебаний n максимальная угловая скорость у нулевой гармоники. Наименьшая угловая скорость нулевой гармоники наблюдается у  -вида

Очевидно, что для  -вида наибольшую и одинаковую по абсолютной величине угловую скорость имеют одновременно пространственные гармоники p =0 и p =-1.

Фазовые скорости волн, бегущих вдоль анодного блока равны

Чем выше номер вида колебаний n и чем больше номер пространственной гармоники p , тем меньше скорости прямых и обратных волн, вращающихся в пространстве взаимодействия. Волна, соответствующая p =0 имеет при данном n наибольшую фазовую скорость и является основной волной.

Величина фазовой скорости может быть сделана значительно меньше скорости света c в свободном пространстве. Замедление

где  – рабочая длина волны в свободном пространстве.

Для волны  -вида при p =0.

при  =3 см, r a =0,5 см; N =16:

4. Движение электронов в пространстве взаимодействия магнетрона. Фазовая фокусировка. Спицы пространственного заряда

Если высокочастотные колебания отсутствуют, электроны движутся по циклоидам. Конвекционный ток анода при B > B kp равен нулю. Рассмотрим изменение этого движения при наличии малых высокочастотных колебаний.

Наиболее интенсивное взаимодействие электронов с СВЧ полем может быть при условии, что электрон длительное время находится в тормозящей фазе СВЧ поля. СВЧ поле в пространстве взаимодействия может быть представлено в виде волн, бегущих в пространстве между катодом и анодом. Поэтому условие приблизительного постоянства фазы СВЧ поля относительно электрона можно рассматривать, как условие равенства фазовой скорости одной из волн и средней скорости V ц , с которой перемещается центр катящегося круга

При обеспечении синхронизма для одной из волн действие на электрон других волн можно не учитывать, так как их фазовые скорости будут значительно отличаться от V ц .

Свяжем с одной из волн систему координат, двигающуюся вместе с волной со скоростью. Электрическое поле волны относительно этой системы координат является неподвижным. Пусть средняя скорость электронов, равная совпадает с фазовой скоростью волны. Рассмотрим поведение типичных электронов, находящихся в разных участках пространства взаимодействия (рис.8).

Рис.8

Результирующее электрическое поле определяется сложением векторов постоянного и СВЧ электрических полей и будет разным в точках 1,2,3,4.

Результирующее электрическое поле E  , действующее на электрон типа 1, не изменяет своего направления, но уменьшается по абсолютной величине (рис. 9.).

Рис. 9

Скорость центра катящегося круга, равная теперь, уменьшится по сравнению со статическим режимом. В результате электрон типа 1 начинает отставать от бегущей волны и постепенно смещается к электрону типа 4. Похожее изменение происходит и с электроном типа 3 для которого результирующее электрическое поле несколько увеличивается по сравнению со статическим режимом (рис 10).

Рис. 10

Поэтому электрон типа 3 двигается быстрее волны и постепенно тоже приближается к электрону типа 4. Электрон типа 4 вынужден двигаться в поле E  мало отличающемся по абсолютной величине от статического электрического поля, по имеющем некоторый наклон вектора E  (рис. 11).

Рис. 11

Этот наклон означает, что круг, определяющий циклоидальную траекторию, не должен более катиться параллельно плоскости катода. Качение круга должно теперь происходить по линии, перпендикулярной E  , т.е. наклоненной в сторону анода. В неподвижной системе координат электрон типа 4, оставаясь в синхронизме с волной, постепенно двигается по направлению к аноду.

Таким образом, электрон типа 4 длительное время находится в области максимального поля. При каждом циклоидальном колебании электрон теряет часть потенциальной энергии и поднимается все ближе к аноду (рис. 12). Вращательная энергия электрона остается примерно постоянной.

Рис.12

С физической точки зрения электрон типа 4 является наиболее благоприятным для поддержания колебаний в магнетроне. Электроны типов 1 и 3 постепенно улучшают свою фазу относительно ВЧ поля и, попадая в тормозящее тангенциальное поле, так же становится благоприятными для генерации.

Электрон типа 2 после выхода из катода подвергается действию ускоряющего тангенциального поля (рис. 13).

Рис.13.

Плоскость, по которой происходит качение круга, наклоняется в сторону катода. В конце первого циклоидального колебания, электрон типа 2, поглотив часть энергии от ВЧ поля, ударяется о катод и прекращает дальнейшее существование в пространстве взаимодействия (рис.14). Электрон типа 2 является неблагоприятным для возбуждения колебаний. Поскольку он быстро «отсортировывается» на катод, в пространстве взаимодействия остаются в основном благоприятные электроны.

Рис. 14.

Таким образом, действие высокочастотного электрического поля автоматически приводит к сортировке электронов, причем благоприятные (правильнофазные) электроны отдают ВЧ полю больше энергии, чем поглощают неблагоприятные электроны. В результате малые колебания должны нарастать по амплитуде, т.е. должно происходить самовозбуждение магнетрона.

Благоприятные электроны создают конвекционный ток анода при B > B kp . Неблагоприятные для возбуждения колебаний электроны, бомбардирующие катод, вызывают его дополнительный разогрев и приводят к появлениюзначительной вторичной эмиссии с катода.

Основную роль в группировке (фазовой фокусировке) в магнетроне играет радиальная составляющая СВЧ электрического поля. Роль тангенциальной составляющей сводится к отбору энергии от электронов.

Образование электронных сгустков можно наглядно проследить в системе координат, двигающейся со скоростью замедленной волны (рис. 15).

Рис. 15.

В этой системе при отсутствии СВЧ колебаний центры катящихся кругов, определяющих реальные траектории электронов, останутся неподвижными. Каждый из электронов при этом описывает окружность. Действие радиального и тангенциального СВЧ полей приводят к тому, что центры катящихся кругов постепенно смещаются.

Преобладает передача энергии полю, что усиливает воздействие поля на электронный поток и т.д. В пространстве взаимодействия возникают пульсации границы облака пространственного заряда, которые в установившемся режиме достигают анода. Динамический пространственный заряд приобретает форму спиц, которые вращаются вокруг анода с постоянной угловой скоростью (рис.16).

Число спиц, очевидно равно числу тормозящих областей СВЧ поля в пространстве взаимодействия, т.е. номеру вида колебаний. У колебаний  -вида число спиц максимально и равно половине числа резонаторов. В спице существует динамическое равновесие: в нее постоянно входят электроны из прикатодной области и постоянно выходят электроны на анод.

Рис. 16

5. Условия самовозбуждения многорезонаторного магнетрона

Условия самовозбуждения магнетрона сводятся к условию синхронизма, обеспечивающему передачу потенциальной энергии электронного потока СВЧ полю, т.е. к требованию равенства фазовой скорости и скорости переносного движения электрона V n для выбранной пространственной гармоники p вида колебаний n

Фазовая скорость волны на этом радиусе будет средней для пространства взаимодействия.

где – частота колебаний для n -вида;

– угловая скорость волны пространственной гармоники p вида колебаний n .

Переносная скорость, поэтому условие синхронизма можно записать в виде.

Так как, величина порогового напряжения, при котором выполняется условие синхронизма.

Связь между U anop и магнитной индукцией линейная. Графики этой зависимости называют пороговыми прямыми (или прямыми Хартри). Прямые проходят через начало координат, а их наклон зависит от номера вида колебаний n и номера пространственной гармоники p (рис. 17).

Рис. 17.

Построенные прямые пересекают параболу критического режима. При значениях U a , соответствующих заштрихованной области генерации колебаний нет, так как электроны в этом случае быстро уходят на анод, не успевая провзаимодействовать с СВЧ полем. При U a < U akp (ниже параболы) в точках на пороговых прямых начинается возбуждение колебаний, так как в «закритическом» режиме из-за циклоидального движения возможно длительное взаимодействие с СВЧ полем. Наименьшие пороговые напряжения соответствуют колебаниям  -вида (n = N /2), что является важным преимуществом этого вида колебаний.

Уравнение для U a пор является приближенным. При его выводе неявно предполагалось, что кинетическая энергия электрона при переходе к аноду равна нулю. На самом же деле из условия синхронизма скорость электрона у анода равна.

кинетическая энергия электрона у анода.

С учетом перехода части потенциальной энергии eU a в кинетическую энергию электрона W k , выражение для порогового напряжения запишется в виде

Зависимость U anop = f (B ) по прежнему линейна, однако пороговые прямые уже не проходят через начало координат из-за наличия второго слагаемого. Пороговые прямые теперь не пересекают параболу критического

режима, а только касаются ее. Минимальное значение порогового напряжения для каждой пороговой прямой соответствует этой точке касания (рис.18).

Рис. 18

Это пороговое напряжение называют напряжением синхронизации. Очевидно, что минимальное пороговое напряжение требуется в том случае, когда электроны движутся параллельно поверхности анода в непосредственной близости от него со скоростью, равной скорости волны

Напряжение синхронизации соответствует выполнению условия самовозбуждения в предельном случае вблизи критического режима работы магнетрона. Таким образом, напряжение синхронизации – это такое напряжение при котором превращение всей скорости вблизи анода в круговую обеспечивает синхронное движение электронов и поля. Если U a < U c электроны движутся медленнее волны и магнетрон не работает. Таким образом, рабочую диаграмму магнетрона можно представить в виде рис.19.

Рис. 19

Рассмотрим как меняются условия движения электрона при увеличении анодного напряжения при фиксированном значении B = B раб .

1. На участке А-С электрон движется по циклоиде со средней скоростью меньше скорости волны. По мере роста U a радиус циклоиды растет, средняя скорость электрона увеличивается.
2. В точке С выполняются условия синхронизма электроны вступают во взаимодействие с волной. Группирующиеся электроны отдают потенциальную энергию СВЧ полю и поднимаются к аноду. Через магнетрон начинает протекать анодный ток. Пороговая прямая разграничивает области протекания и не протекания анодного тока в динамическом режиме.
3. Участок С- D является рабочим участком. При увеличении U a в пределах этого участка электроны, двигаясь в закритическом режиме, находятся все время в синхронизме с СВЧ полем. С ростом U a возрастает анодный ток и амплитуда колебаний.
4. Точка D лежит на параболе критического режима. В этом случае электрон достигает анода при прохождении первой петли циклоиды и вся потенциальная энергия электрона целиком переходит в его кинетическую энергию у анода. к.п.д. становится равным нулю, колебания срываются, через магнетрон течет ток, определяемый статическими условиями.
5. При U a < U kp магнетрон находится в докритическом режиме и возбудиться не может. Точка E на рабочей диаграмме определяет минимальные значения U amin и B 0 , ниже которых самовозбуждение магнетрона невозможно. Координаты точки E равны

Для  -вида колебаний (n = N /2)

Из формул видно, что чем больше число резонаторов N , тем меньше минимальные значения U amin и B 0 .

При работе на пространственных гармониках p =  1 пороговое напряжение и минимальное значение магнитной индукции оказываются ниже, чем для p =0. Использование ненулевых пространственных гармоник позволяет работать при меньшем анодном напряжении. Однако напряженность поля гармоник уменьшается сильнее от анода к катоду, чем у нулевой, что затрудняет самовозбуждение колебаний. Существуют маломощные магнетроны с рабочим напряжением U a <100 B .

6. Разделение видов колебаний в многорезонаторных магнетронах

Каждому виду колебаний в многорезонаторном магнетроне соответствует своя рабочая частота. Наименьшая разница частот  f получается между рабочим  -видом и ближайшим видом. Чем больше число резонаторов, тем меньше эта разница. Ее называют разделением частот. Относительное разделение частот  f / f небольшое, порядка 1%. Для устойчивости работы магнетрона на  -виде колебаний желательно иметь разделение частот порядка 10-20%. При одинаковых размерах резонаторов  f / f увеличивается с помощью связок. Связки представляют собой проволочки или ленточные проводники, расположенные над торцами анодного блока и присоединенные последовательно через один к его сегментам (рис.20).

Если в магнетроне возбуждены колебания  -вида, то каждая связка соединяет точки с одинаковым потенциалом. Поэтому связки не изменяют распределения поля. Однако между связкой и анодным блоком имеется емкость, которая понижает резонансную частоту  -вида колебаний по сравнению со случаем отсутствия связок.

Предположим теперь, что возбуждаются другие виды колебаний n < N /2. Тогда те же точки прикосновения связок уже не имеют одинаковый потенциал. По связкам потекут уравнительные токи, влияние которых эквивалентно подключению индуктивности параллельно двум резонаторам.

Рис.20

Это повышает частоты нерабочих видов колебаний (Рис.21).

Рис. 21

Связки бывают:

• односторонние (с одной стороны анодного блока);
  • двусторонние;
  • одинарные (одно кольцо с одной стороны);
  • двойные (два кольца с одной стороны);
  • открытые (связка над блоком);
  • экранированные;
  • симметричные;
  • асимметричные.

С увеличением высоты анодного блока влияние связок уменьшается. Использование связок повышает к.п.д. и выходную мощность магнетрона, так как позволяет работать при больших токах пучка не опасаясь перескока с одного вида колебаний на другой. В то же время наличие связок снижает собственную добротность резонатора. С ростом рабочей частоты конструктивное выполнение связок затрудняется.

На длинах волн < 3см вместо связок обычно используют для разделения видов колебаний разнорезонаторные анодные блоки (рис.22). В разнорезонаторных системах могут применяться как большие и малые резонаторы одного типа, так и комбинации резонаторов разных типов.

Рис. 22

На рис.22 показана разнорезонаторная система с щелевыми резонаторами.

Для разнорезонаторной системы эквивалентная схема звена фильтра, образованного большим и малым резонаторами имеет вид рис.23.

Рис. 23

где L 1 , C 1 – индуктивность и емкость большого резонатора;

– его резонансная частота;

L 2 , C 2 – индуктивность и емкость малого резонатора;

– его резонансная частота;

C k – емкости ламелей на катод.

При использовании обозначений:

схема рис.23 приобретает вид, изображенный на рис.24.

Рис.24

Так как четвертым слагаемым можно пренебречь.

Для  -вида:  0 =  ; Cos 2  0 = Cos 2  =1.

Резонансная частота для  -вида определяется резонансной частотой контура, образованного параллельными соединением большого и малого резонаторов.

Для разнорезонаторных магнетронов резонансные длины волн распадаются по две группы, соответствующие малым и большим резонаторам. Резонанс вида  лежит между этими двумя группами (рис.25).

Рис.25

Для восемнадцатирезонаторного магнетрона разделение видов показано на рис.25.

Отношение резонансных частот малых и больших резонаторов выбирают равным:

СВЧ поле в пространстве взаимодействия, создаваемое большими резонаторами превышает СВЧ поле малых резонаторов. Так как поле больших резонаторов всегда изменяется синфазно, на  -вид в разнорезонаторной системе накладывается нулевой вид. Это снижает эффективность взаимодействия.

7. К.п.д. многорезонаторного магнетрона

Прямое вычисление к.п.д. затруднено, поэтому вычисляют мощность, рассеиваемую электроном на аноде после взаимодействия с СВЧ полем, а затем используют закон сохранения энергии. Скорость, которую имеет электрон при ударе об анод, зависит от момента удара. В наихудшем с точки зрения к.п.д. случае удар происходит в верхней точке циклоиды. Радиус катящегося круга

где d – расстояние между катодом и анодом.

Циклотронная частота

Максимальная скорость электрона в вершине циклоиды

Максимальная кинетическая энергия, рассеиваемая электроном на аноде,

Тот же электрон, находясь на катоде до начала движения в пространстве взаимодействия обладал потенциальной энергией.

Следовательно, энергия, отданная СВЧ полю, по закону сохранения энергии равна:

Электронный к.п.д. рассматриваемого одиночного электрона

Полученное уравнение можно преобразовать к виду:

При U a = U akp ; B = B kp электронный к.п.д. равен нулю, что согласуется с ранее полученными из рабочей диаграммы результатами.

Рис. 2

Полученная формула не дает теоретического предела к.п.д. (при U a << V akp и B = B kp  эл  1).

Чтобы проследить зависимость к.п.д. от величины магнитного поля используем упрощенное условие самовозбуждения

Полагая, что p =0 и d = r a – r k , получим

Из формулы видно, что для достижения одного и того же значения  эл наименьшее магнитное поле требуется при  -виде колебаний.

На первый взгляд кажется, что к.п.д. возрастает с уменьшением отношения r k / r a . Однако при малом r k / r a электрическое поле становится неоднородным (большим вблизи катода и меньшим вблизи анода) и это не позволяет выполнить условия синхронизма. Для оценки оптимального соотношения r k / r a предложены эмпирические соотношения от которых можно заметно отклоняться.

Полный к.п.д. магнетрона с учетом к.п.д. резонаторной системы  k равен:

К.п.д. резонансной системы:

8. Рабочие и нагрузочные характеристики магнетронов

Рабочими характеристиками называются вольтамперные характеристики, снятые при условиях В= const , P ген = const , f = const , = const . Эти характеристики принято строить в прямоугольной системе координат. По вертикальной оси откладывается постоянное анодное напряжение, а по горизонтальной - постоянный анодный ток.

Рассмотрим идеализированные рабочие характеристики, которые получаются из простых соотношений

Семейство кривых постоянной генерируемой мощности P ген = const . (рис 27).

Рис. 27

Если бы к.п.д. оставался неименным и не зависел от I a то при P ген = const вольтамперные характеристики U a = f (I a ) имели бы вид гипербол. Однако с ростом I a электронный к.п.д. несколько снижается, так как при этом повышается амплитуда СВЧ колебаний и увеличивается доля мощности, рассеиваемой на аноде в конце последнего витка циклоиды. Чем больше генерируема мощность, тем выше и правее должны располагаться кривые P ген = const .

Семейство кривых постоянной магнитной индукции. (рис 28).

Рис. 28

При неизменной магнитной индукции при повышении анодного напряжения от нуля до значения U пор анодный ток должен быть очень мал и колебания должны отсутствовать. При достижении U пор происходит самовозбуждение катода и резкое возрастание анодного тока. Величина I a при этом достигает максимального значения, определяемого эмиссионной способностью катода. Увеличение магнитной индукции соответствует большей величине анодного напряжения, при котором начинается протекать ток, так как:

Крутые участки, показанные пунктиром, экспериментально снять не удается, пологие участки почти параллельны оси I a . Динамическое сопротивление составляет 60-130 Ом для импульсных магнетронов, и 700 Ом для непрерывных.

Статическое сопротивление:

Семейство кривых постоянного к.п.д. (рис. 29).

Рис 29

Для объяснения зависимости нужно учесть зависимость, (рис 30).

К.п.д. резонатора от режима работы магнетрона не зависит.

Рис 30

При малых анодных токах СВЧ поле слишком мало, чтобы сгруппировать электронный поток в спицы и к.п.д. мал. При слишком больших токах происходит разгруппирование заряда и к.п.д. также уменьшается. Поэтому зависимости U a = f (I a ) при = const не монотонные. На начальных участках при малых токах они аналогичны кривым при P ген = const , а при больших токах для поддержания постоянства к.п.д. необходимо увеличение анодного напряжения.

Линии равной частоты.

Электронная проводимость, вносимая электронным потоком в резонаторы магнетрона, имеет комплексный характер. Реактивная часть этой проводимости, связанная с наличием фазового сдвига между максимумами наведенного тока и максимумом СВЧ напряжения, вызывает смещение частоты генерируемых колебаний относительно резонансной частоты колебательной системы (рис 31). При соответствующем подборе анодного напряжения фазовая скорость волны и скорость электронного потока совпадают (спицы движутся синхронно с полем) (рис 32).

Рис 31

Если анодное напряжение возрастает, для сохранения синхронного движения спица должна уйти вперед в область тормозящего радиального СВЧ поля. Это компенсирует изменение скорости электронов за счет роста постоянного анодного напряжения. При уменьшении анодного напряжения спица будет смещаться влево в область ускоряющего радиального СВЧ поля. Таким образом, возникает фазовый сдвиг между спицей и СВЧ полем, что приводит к изменению частоты генерации. Зависимости при не имеют очевидной качественной трактовки.

Рис 32

Нагрузочные характеристики зависимости и, снятые при номинальных значениях В и I a при изменении Z н и построенные на круговой диаграмме (рис 33). Линии P ген = const близки к линиям R = const - постоянного активного сопротивления.

Рис 33

Линии f = const близки, но не совпадают, к линиям Х= const постоянного реактивного сопротивления. Изменение частоты, которое происходит при изменении фазы коэффициента отражения от 0 до 2р, при [Г]=0.2 (КСВ=1.5) называют степенью затягивания частоты нагрузкой ().

Для магнетронов 10 см диапазона 10-15 Мгц, для 3 см диапазона 15-20 МГц. Степень затягивания напрямую связана с внешней добротностью.

Применение магнетронов.

Мощность, отдаваемая магнетронами:

1Вт-10кВт - в непрерывном режиме

50кВт-10МВт - в импульсном режиме.

Основные области применения:

1. Передатчики импульсных РЛС и радиолокационных маяков

2. Генераторы помех

3. Импульсные генераторы для питания линейных ускорителей электронов.

4. Генераторы непрерывного режима для промышленного нагрева.

5. Бытовые СВЧ печи.

Преобразование СВЧ энергии в энергию постоянного тока.

Литература

Кучумов, А.И. Электроника и схемотехника: Учебное пособие / А.И. Кучумов. - М.: Гелиос АРВ, 2011. - 336 c.

Лапынин, Ю.Г. Контрольные материалы по электротехнике и электронике: Учебное пособие для учреждений среднего профессионального образования / Ю.Г. Лапынин. - М.: ИЦ Академия, 2011. - 128 c.

26. Лачин, В.И. Электроника: Учебное пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. - Рн/Д: Феникс, 2010. - 703 c.

Манаев, Е.И. Основы радиоэлектроники / Е.И. Манаев. - М.: ЛИБРОКОМ, 2013. - 512 c.

Марченко, А.Л. Основы электроники: Учебное пособие для вузов / А.Л. Марченко. - М.: ДМК Пресс, 2013. - 296 c.

Миловзоров, О.В. Электроника: Учебник для бакалавров / О.В. Миловзоров, И.Г. Панков. - М.: Юрайт, 2013. - 407 c.

Мишкович, В.И. Электротехника и электроника: Учебное пособие для вузов / В.В. Кононенко, В.И. Мишкович, В.В. Муханов [и др.]; Под ред. В.В. Кононенко. - Рн/Д: Феникс, 2010. - 784 c.

Морозова, Н.Ю. Электротехника и электроника: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / Н.Ю. Морозова. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 288 c.

Москатов, Е.А. Силовая электроника. Теория и конструирование / Е.А. Москатов. - М.: Корона-Век, МК-Пресс, 2013. - 256 c.

Неволин, В.К. Квантовый транспорт в устройствах электроники / В.К. Неволин. - М.: Техносфера, 2012. - 88 c.

Немцов, М.В. Электротехника и электроника: Учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования / М.В. Немцов, М.Л. Немцова. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 480 c.

Нефедов, А.В. Диоды, транзисторы и модули для силовой электроники / А.В. Нефедов. - М.: Радио и связь, 2012. - 312 c.

Новожилов, О.П. Электротехника и электроника: Учебник для бакалавров / О.П. Новожилов. - М.: Юрайт, 2013. - 653 c.

Опадчий, Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. - М.: Гор. линия-Телеком, 2007. - 768 c.

Партала, О.Н. Цифровая электроника / О.Н. Партала. - М.: Наука, 2001. - 224 c.

Пихтин, А.Н. Квантовая и оптическая электроника: Учебник / А.Н. Пихтин. - М.: Абрис, 2012. - 656 c.

Платт, Ч. Электроника для начинающих / Ч. Платт; Пер. с англ. Б. Бондаренко. - СПб.: БХВ-Петербург, 2013. - 480 c.

Покотило, С.А. Справочник по электротехнике и электронике / С.А. Покотило. - Рн/Д: Феникс, 2012. - 282 c.

Полещук, В.И. Задачник по электронике: Практикум для студ. сред. проф. образования / В.И. Полещук. - М.: ИЦ Академия, 2011. - 160 c.

Прянишников, В.А. Электроника: курс лекций / В.А. Прянишников. - СПб.: КОРОНАпринт, 2000.

Рекус, Г.Г. Лабораторный практикум по основам электротехники и промышленной электроники: Учебное пособие / Г.Г. Рекус. - М.: Высш. шк., 2007. - 255 c.

Розум, Т.Т. Сборник задач по электротехнике и электронике: Учебное пособие / Ю.В. Бладыко, Т.Т. Розум, Ю.А. Куварзин; Под общ. ред. Ю.В. Бладыко. - Мн.: Вышэйшая шк., 2012. - 478 c.

Сидоров, И.Н. Электроника дома и в саду / И.Н. Сидоров. - М.: Радио и связь, 2001. - 144 c.

В магнитном поле, направленном по его оси; в электронной технике - генераторный электровакуумный прибор СВЧ, в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.

Термин «М.» был введён американским физиком А. Халлом (A. Hull), который в 1921 впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы М. в статическом режиме и предложил ряд конструкций М. Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн (на волнах λ ≥ 29 см ) посредством М. открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек. В 20-е годы влияние магнитного поля на генерирование колебаний СВЧ исследовали физики: Е. Хабан (1924, Германия), А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг (1926-1929, СССР), К. Окабе и Х. Яги (1928-1929, Япония), И. Ранци (1929, Италия). В 30-е годы исследования М. как генератора СВЧ велись во многих странах. Основная задача этого периода - увеличение выходной мощности генерируемых колебаний - была решена в 1936-1937 советскими инженерами Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым под руководством М. А. Бонч-Бруевич а. Они увеличили мощность М. на 2 порядка (до 300 вт на волне 9 см ), применив в качестве анода массивный медный блок, содержащий ряд резонаторов. М. такой конструкции называют многорезонаторным. Эта конструкция М. оказалась настолько совершенной, что в последующие годы во всём мире разрабатывались и выпускались только многорезонаторные М. В М. применяют катод, имеющий форму полого цилиндра, внутри которого располагается подогреватель. Катод такой формы впервые был предложен для радиоламп советским академиком А. А. Чернышевым в 1918. В 30-е годы многие инженеры предлагали для М. катоды в форме полого цилиндра, например американский инженер К. Хенсел в 1933 (для М., у которого катод окружает анод), американские инженеры Л. Молтер, Дж. Райхман, Р. Гудрич в 1936 (для использования вторичной эмиссии катода в М.), советский инженер В. П. Илясов в 1939 (для многорезонаторного М.).

В 40-70-е годы в многорезонаторный М. инженерами многих стран (СССР, Великобритании, США, Японии и других) был внесён ряд улучшений, были разработаны более тысячи типов многорезонаторных М., в основном для радиолокации (См. Радиолокация). С конца 60-х годов резко увеличился выпуск М. непрерывного генерирования колебаний на волне Магнетрон 12 см для нагрева полями СВЧ в печах бытового назначения (мощностью 0,5-3 квт ) и промышленных установках (мощностью 5-100 квт ). В 1950-1970-е годы на основе многорезонаторного М. был создан ряд приборов для генерации и усиления колебаний СВЧ (см. Магнетронного типа приборы).

Распространение М. вызвано высоким кпд (до 80%), компактностью конструкции и стабильностью работы при сравнительно невысоких анодных напряжениях. В начале 70-х годов промышленно развитыми странами выпускаются М. для работы на различных частотах от 0,5 до 100 Ггц, с мощностями от нескольких вт до десятков квт в непрерывном режиме генерирования колебаний и от 10 вт до 5 Мвт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков мксек. М. выпускаются как неперестраиваемые (фиксированная частота), так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10%). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в сек ) - ротационные и вибрационные механизмы.

В простейшей конструкции многорезонаторного М. (рис. 1 ) анодный блок представляет собой массивный медный цилиндр с центральным круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40), выполняющими роль объёмных резонаторов (См. Объёмный резонатор). Каждый резонатор соединяется щелью с центральным отверстием, в котором расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему (См. Колебательные системы). Такая система имеет не одну, а несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн (См. Стоячие волны) от 1 до N/2 (N - число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при котором число полуволн равно числу резонаторов (так называемый π-вид колебаний). Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π. Для стабильной работы М. (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10%). Так как в М. с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной (рис. 2 , а), её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока (рис. 2 , б), либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные - другой) (рис. 2 , в).

В многорезонаторном М. на электроны, движущиеся в пространстве между катодом и анодным блоком, действуют 3 поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле и электрическое поле СВЧ (резонаторной системы). При перемещении электронов в радиальном направлении (от катода к аноду) энергия источника анодного напряжения преобразуется в кинетическую энергию электронов. Под влиянием постоянного магнитного поля, направленного по оси катода (перпендикулярно постоянному электрическому полю), электроны изменяют направление движения: их радиальная скорость переходит в тангенциальную, перпендикулярную радиальной, Так как часть электрического поля СВЧ через щели резонаторов проникает в пространство анод - катод, то электроны при движении в тангенциальном направлении тормозятся тангенциальной составляющей электрического поля СВЧ, и поэтому их энергия, полученная от источника постоянного напряжения, преобразуется в энергию колебаний СВЧ. Поле СВЧ дважды за период колебаний меняет направление. Для непрерывного торможения электронов необходимо, чтобы они от одного резонатора к соседнему (в тангенциальном направлении) перемещались за полпериода. Такой синхронизм между перемещением электронов и тормозящим электрическим полем СВЧ является основным принципом работы многорезонаторного М. Электроны, которые попадают в ускоряющее поле СВЧ, увеличивают свою кинетическую энергию и выпадают из синхронизма. Они либо возвращаются на катод, либо попадают в тормозящее поле СВЧ и снова входят в синхронизм.

Типичные характеристики М. приведены на рис. 3 . М. начинает работать, когда анодное напряжение достигает значения, соответствующего началу синхронизма. С увеличением напряжения условия синхронизма улучшаются; сила тока, выходная мощность и кпд М. увеличиваются. При оптимальных условиях синхронизма кпд М. достигает максимума. Дальнейшее повышение анодного напряжения постепенно ухудшает синхронизм и сопровождается снижением кпд, несмотря на увеличение силы тока и выходной мощности.

Лит.: Алексеев Н. Ф., Маляров Д. Е., Получение мощных колебаний магнетроном в сантиметровом диапазоне волн, «Журнал технической физики», 1940, т. 10, в. 15, с. 1297-1300; Фиск Д., Хагструм Г., Гатман П., Магнетроны, пер. с англ., М., 1948; Бычков С. И., Магнетронные генераторы, Л., 1948; Магнетроны сантиметрового диапазона, пер. с англ., под ред. С. А Зусмановского, ч. 1-2, М., 1950-51, Коваленко В. Ф., Введение в электронику сверхвысоких частот, 2 изд., М., 1955; Самсонов Д. Е., Основы расчёта и конструирования многорезонаторных магнетронов, М., 1966.

В. Ф. Коваленко.

Рис. 3. Типичная рабочая характеристика импульсного магнетрона. Заштрихованными участками обозначены области отсутствия генерации, сплошными линиями - импульсная выходная мощность Р и и напряжённость постоянного магнитного поля Н, пунктирными линиями - кпд (без учёта мощности подогрева катода).

Рис. 2. Виды резонаторных систем магнетрона (а - равнорезонаторная без связок, б - равнорезонаторная со связками, в - разнорезонаторная) и графики разделения их резонансных частот Δ=(f π - f n)/f π , где f π - частота колебаний, соответствующая π-виду колебаний, f n - частота колебаний, соответствующая n-му номеру колебаний. В 18-резонаторном магнетроне 9-й вид колебаний является π-видом.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Магнетрон" в других словарях:

Магнетрон … Орфографический словарь-справочник

Магнетрон это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем. Со … Википедия

Многорезонаторный прибор для генерации эл. магн. колебаний СВЧ, основанный на вз ствии эл нов, движущихся в магн. поле по криволинейным траекториям с возбуждаемым эл. магн. полем. Анод М. массивный полый цилиндр, во внутр. части к рого вырезаны… … Физическая энциклопедия

магнетрон - а, м. magnétron m., англ. magnetron. спец. Электронная лампа специальной конструкции, в которой на электронный поток одновременно действуют постоянные электрическое и магнитное поля. БАС 1. Не включайте пустую печь, иначе магнетрон устройство, в… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

МАГНЕТРОН, вакуумная трубка, содержащая АНОД и разогретый КАТОД. Поток электронов от катода к аноду управляется внешне приложенным магнитным полем. Когда магнетрон используется в резонансной системе, он может действовать как ОСЦИЛЛЯТОР. Он… … Научно-технический энциклопедический словарь

Митрон, лампа Словарь русских синонимов. магнетрон сущ., кол во синонимов: 4 лампа (75) митрон … Словарь синонимов

- (от греч. magnetis магнит и...трон) электровакуумный прибор, мощный генератор электромагнитных волн сантиметрового диапазона. Принцип действия магнетрона основан на торможении электронов в скрещенных электрических и магнитных полях. Используется … Большой Энциклопедический словарь

- (Magnetron) электронная лампа без сетки; управление потоком электронов, испускаемых катодом и летящих к аноду, происходит при помощи магнитного поля, создаваемого катушкой, надетой на баллон лампы. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.:… … Морской словарь

магнетрон - Резонансный прибор М типа, в котором замкнутый электронный поток взаимодействует с СВЧ полем замкнутой замедляющей системы. [ГОСТ 23769 79] Тематики приборы и устройства защитные СВЧ Обобщающие термины приборы М типа EN magnetron … Справочник технического переводчика

МАГНЕТРОН - электровакуумный прибор для генерации электромагнитных колебаний диапазона сверхвысоких частот, в котором для создания нужных траекторий электронов используется постоянное магнитное поле. М. применяют в основном в радиолокационной аппаратуре и… … Большая политехническая энциклопедия

Магнетрон - 67. Магнетрон Magnetron Резонансный прибор М типа, в котором замкнутый электронный поток взаимодействует с СВЧ полем замкнутой замедляющей системы