Приборы со скрещенными полями (М-типа): – магнетроны, амплитроны и митроны. Принцип действия, коэффициент полезного действия. Основные конструктивные разновидности. Сравнение с приборами О-типа.
Вопрос №15.
Приборы со скрещенными полями (М-типа): – магнетроны, амплитроны и митроны. Принцип действия, коэффициент полезного действия. Основные конструктивные разновидности. Сравнение с приборами О-типа.
Ответ:
В электронных приборах типа М электроны движутся в скрещенных постоянных во времени электрическом и магнитном полях (существует, конечно, и высокочастотное поле, с которым взаимодействует электронный поток). В отличие от приборов типа О, постоянное магнитное поле в приборах типа М играет существенную роль в процессе взаимодействия электронов с высокочастотным электрическим полем. Эта роль подчеркивается названием при боров, происшедшим от слова «magnetic». В приборах типа М электроны отдают электромагнитному полю не кинетическую, а свою потенциальную энергию. Их кинетическая энергия, а следовательно, и скорость движения, остается в процессе взаимодействия практически постоянной. Эта особенность позволяет сохранять синхронизм между волной и электронами в течение длительного времени и обеспечивает высокий электронный КПД приборов М-Типа. Пространство взаимодействия в приборах М-типа образует замедляющая система, имеющая два изолированных друг от друга проводника, между которыми приложено постоянное напряжение U0. Ленточный электронный поток распространяется между этими проводниками в магнитном поле, создаваемом внешней магнитной системой и направленном перпендикулярно постоянному электрическому полю, создаваемому напряжением U0.
Приборы М-типа разделяются на две группы: приборы с замкнутым и не замкнутым электронным потоком. В первой группе поток электронов создает ся электронной пушкой, вынесенной из пространства взаимодействия. Отработавшие электроны, не попавшие на анод или холодный катод, оседают на специальном коллекторе. Приборы с незамкнутым электронным потоком имеют, как правило, незамкнутую замедляющую систему. К типичным представителям этой группы относятся лампы бегущей и обратной волны типа М, а также их разновидности — дематроны. Приборы этой группы имеют линейную или квазилинейную конструкцию (т. е. свернутую в кольцо с отношением радиуса внутреннего электрода ЗС к радиусу внешнего электрода, близким к единице).
Вторая группа характеризуется замкнутым в кольцо электронным потоком. Электродинамическая система этих приборов может быть как замкнутой, так и незамкнутой. К приборам с замкнутой ЗС относятся автогенераторы — магнетрон и митрон. Незамкнутую ЗС имеет платинотрон и его разновидности. Эта группа приборов имеет цилиндрическую конструкцию, причем эмитирующий электрод (катод) расположен в пространстве взаимодействия. Механизм взаимодействия в приборах типа М обладает большей эффективностью, чем в приборах О-типа, поэтому приборы М-типа, как правило, имеют более высокий КПД. К числу недостатков этих приборов относится большой уровень собственных шумов, что связано с особенностями движения электронов в скрещенных полях.
Магнетрон.
Многорезонаторный магнетрон имеет очень простую конструкцию. В отличие от рассмотренных ранее приборов типа М, многорезонаторный магнетрон (в дальнейшем просто магнетрон) имеет замкнутую электродинамическую систему и замкнутый электронный поток, причем катод (эмиттер) находится в пространстве взаимодействия. По существу, магнетрон представляет собой цилиндрический диод, помещенный в магнитное поле. Анод этого диода имеет сложную форму, которая и обеспечивает взаимодействие высокочастотного электромагнитного поля с электронным потоком.
Конструкция многорезонаторного магнетрона включает термокатод 5 и анодный блок 1, выполненный в виде массивного медного цилиндра с полостями 2. Полости играют роль объемных резонаторов, в которых концентрируется электромагнитное поле. Индуктивная петля 4, размещенная в одном из резонаторов, и коаксиальная линия 5 служат для вывода высокочастотной энергии. На рисунке видны также держатели катода, изолированные от анодного блока. Верхняя и нижняя крышки, закрывающие торцы анодного блока и герметизирующие внутренний объем магнетрона, а также магнитная система, создающая магнитное поле, направленное по оси магнетрона, не показаны.
Принцип действия.
При подаче анодного напряжения электроны, вылетающие из накаленного катода, под воздействием этого напряжения начинают двигаться по направлению к аноду. При отсутствии осевого магнитного поля электроны двигались бы к аноду по радиальным прямым. Наличие магнитного поля приводит к искривлению электронных траекторий.
При некоторой величине индукции магнитного поля, называемой критической Bс, траектории искривляются настолько, что электроны, не достигая анода, возвращаются на катод.
Электродинамическая система магнетрона, не принимая во внимание вывод энергии, является периодической структурой, в которой могут распростра няться медленные волны. Дисперсионная характеристика этой структуры определяется ее конфигурацией. В магнетронах используется гребенчатая ЗС с пазами различной формы. К наиболее распространенным относятся пазы типа щель — отверстие (рис. 8.4.4а), щелевые (рис. 8.4.4б), секторные (рис. 8.4.4в). На рисунке 8.4.4г показана разнорезонаторная структура, в которой резонаторы разных размеров чередуются. В таких системах возможно использование разных типов пазов, например щель — отверстие и щелевые. На частотах менее 10 ГГц чаще всего применяются пазы типа щель — отверстие или секторные. На более высоких частотах используются щелевые пазы. Каждый паз можно рассматривать как объемный резонатор. Эти резонаторы связаны общими магнитным и электрическим полями. Поэтому в электродинамической системе магнетрона могут распространяться бегущие волны. Типичная дисперсионная характеристика этих волн показана на рисунке 8.4.5. Волна основного типа имеет прямую дисперсию, что характерно для гребенча тых ЗС.
Условие резонанса:
Режим генерации.
В стационарном режиме генерации существуют два основных механизма, обеспечивающих передачу энергии от электронов высокочастотному полю - это сортировка и группировка электронов.
Однако цилиндрическая конструкция магнетрона и расположение катода в пространстве взаимодействия придают этим процессам ряд особенностей.
На рисунке 8.4.13 показаны траектории вредного (А) и полезного (Б) электронов в неподвижной системе координат. Как видно, вредный электрон на первом же витке удаляется из пространства взаимодействия, в то время как полезный электрон успевает сделать несколько оборотов вокруг ведущего центра, прежде чем попасть на анод.
КПД магнетрона.
Электронный КПД магнетрона определяет эффективность преобразования энергии электронного потока в энергию высокочастотных колебаний P~, возбуждаемую в резонаторной системе, по отношения к подводимой мощности P0:
В общем случае величина электронного КПД магнетрона находится в сложной зависимости от геометрии и электрического режима магнетрона. Формула для оценочного расчета электронного КПД:
где индукция В выражена в Тл, а длина волны 𝜆 в см.
Расчет по приведенным выше формулам дает завышенные значения электронного КПД, так как при их выводе не были учтены, в частности, потери энергии за счет электронов неблагоприятной фазы, отбирающих энергию высокочастотного поля и бомбардирующих катод.
Для различных типов магнетронов значение электронного КПД колеблется в пределах от 40 до 80%.
Полный КПД магнетрона определяется отношением мощности, отдаваемой магнетроном в нагрузку, к подведенной мощности 
Полный КПД удобно представлять в виде произведения электронного КПД и КПД резонаторной системы: 
КПД резонаторной системы может быть рассчитан по формуле 
где Q0 и Qн - соответственно собственная и нагруженная добротности резонаторной системы, которые определяются путем расчета или специальных измерений. Величина 𝜂p в существующих типах магнетронов лежит в пределах 60 - 95%.