2. Каковы особенности колебательной системы магнетрона?
3. Каковы особенности колебаний магнетрона 
-вида?
4. Какие условия должны быть выполнены для того, чтобы в магнетроне передача энергии от электронного потока высокочастотному полю колебательной системы была эффективной?
7. ИССЛЕДОВАНИЕ МИТРОНА
Цель работы: ознакомление с устройством, параметрами, основными характеристиками митрона, а также с аппаратурой и техникой измерения характеристик.
7.1. Основные теоретические положения
7.1.1. Назначение и устройство митрона
Митрон относится к генераторам СВЧ магнетронного типа (типа М), в которых поток электронов движется под воздействием скрещенных электрического и магнитного полей. Отличительными особенностями митрона являются возможность электрической перестройки частоты в широком диапазоне частот, линейность частотной характеристики, высокий (более 40 %) КПД, компактность и малый вес. Эти достоинства обусловили широкие возможности применения митронов в современных радиоэлектронных системах. В зависимости от уровня выходной мощности они применяются в качестве гетеродинов малошумящих приемников, генераторов с быстрой перестройкой частоты, в выходных каскадах передатчиков станций заградительных помех противорадиолокационных систем и т. п. [12].
Устройство митрона позволяет рассматривать его как особую разновидность магнетронного генератора. Главными конструктивными отличиями митрона являются использование однорезонаторной низкодобротной (широкополосной) колебательной системы и размещение катода за пределами пространства взаимодействия. Эти особенности конструкции обеспечивают возможность электрической перестройки частоты в широком диапазоне частот путем изменения анодного напряжения митрона. В частности, широкополосность колебательной системы является условием сохранения интенсивности высокочастотного поля в пространстве взаимодействия при изменении частоты генерируемых колебаний. Размещение катода вне пространства взаимодействия позволяет сохранить практически неизменной величину анодного тока при изменении анодного напряжения и тем самым уменьшить изменение уровня выходной мощности при электрической перестройке частоты. Схематично типичный вариант конструкции митрона показан на рис. 7.1
Пространство взаимодействия расположено между анодной системой 1 и «холодным» катодом 6, необходимым для создания радиального электрического поля. Спиральный эмитирующий катод 3 из торированного вольфрама вместе с управляющим электродом 4 образует электронную пушку. В качестве системы 1 обычно используется встречно-штыревая структура, свернутая в кольцо. Штыревая структура укреплена на двух дисках. Число штырей зависит от рабочего диапазона генерируемых частот и колеблется у современных митронов от 2 до 18. Анодную систему 1, «холодный» катод 6 и электронную пушку, образующие переходную область 5 для электронного пучка, помещают в вакуумный баллон, ограниченный дисками 2 и тремя керамическими шайбами 7. Скомпонованная таким образом вакуумная оболочка устанавливается в широкополосной внешней колебательной системе 9 (тороидальный резонатор с собственной добротностью 
, не превышающей 10 единиц) между полюсными наконечниками постоянного магнита 8 так, чтобы направление силовых линий однородного магнитного поля совпадало с осью эмитирующего и «холодного» катодов. Связь колебательной системы 9 с линией передачи обеспечивается с помощью петли связи 10.
7.1.2. Принцип работы митрона
Из рис. 7.1 видно, что вакуумная оболочка установлена в пучности высокочастотного электрического поля тороидального резонатора, поэтому соседние штыри анодной системы имеют высокочастотный потенциал противоположной полярности. Отсюда следует, что высокочастотное поле в пространстве взаимодействия распределяется аналогично полю противофазного вида (π-вида) колебаний магнетрона. Таким образом, митрон, как и магнетрон, работает в режиме π-вида колебаний и принцип его работы во многом аналогичен принципу работы магнетрона.
На рис. 7.2 изображена схема, иллюстрирующая работу митрона. Электронный поток, инжектируемый электронной пушкой, поступает в пространство взаимодействия и под действием только статических радиального электрического и продольного магнитного полей с напряженностью 
и 
, соответственно, вращается вокруг «холодного» катода с азимутальной скоростью вращения, определяемой известным соотношением 
.
 |
В таком замкнутом кольцевом электронном потоке в пространстве взаимодействия возникают азимутальные уплотнения (сгустки) вследствие флуктуационных изменений плотности пространственного заряда. Вращающиеся сгустки электронов наводят переменные токи в штыревой анодной системе, которые, в свою очередь, создают высокочастотное электрическое поле между штырями, оказывающее дополнительное группирующее воздействие на пространственный заряд. Электронный поток формируется в четко выраженные «спицы», аналогичные «спицам» магнетрона. Таким образом, движение электронов определяется действием трех сил: скрещенных статических электрического и магнитного полей и высокочастотного электрического поля анодной системы. Строго говоря, на электроны действует также и четвертая сила со стороны пространственного заряда, создаваемая другими электронами. Ее действие выражается в разгруппировке, т. е. образовании неупорядоченных электронных сгустков, что приводит к отклонению реальной конфигурации спицы от рассматриваемой идеализированной. Однако при качественном рассмотрении принципа работы приборов влиянием сил пространственного заряда можно пренебречь. Под действием указанных трех сил движение электронов в направлении анодной системы в приборах типа М происходит по сложной циклоидальной траектории (подробнее см. 6). В процессе этого движения потенциальная энергия электронов преобразуется в энергию электромагнитного поля, подобно тому как это происходит в многорезонаторном магнетроне.
7.1.3. Рабочие характеристики и параметры митрона
Существует два способа управления параметрами генерируемых колебаний митрона – изменением анодного напряжения 
и изменением напряжения управляющего электрода 
. В связи с этим различают два вида характеристик: рабочую, представляющую собой зависимость частоты 
и выходной мощности 
от анодного напряжения при постоянном напряжении (рис. 7.3), и модуляционную – зависимость и от при фиксированном напряжении (рис. 7.4).
Зависимость частоты от анодного напряжения выражается формулой
,
которая следует из условия синхронизма движения электронов и изменения высокочастотного поля (см. (6.4)). Таким образом, при
постоянном магнитном поле и заданной геометрии пространства взаимодействия между генерируемой частотой и анодным напряжением имеет место линейное соотношение. Диапазоном электрической перестройки частоты митрона называется интервал частот, генерируемых митроном при изменении рабочего анодного напряжения от минимального до максимального. Ширина частотного диапазона характеризуется коэффициентом перестройки 
, равный отношению максимальной генерируемой частоты 
к минимальной 
, т. е. 
. У маломощных СВЧ митронов ( 
) 
. У митронов средней мощности ( 
) коэффициент перестройки составляет октаву, т. е. 
, а у митронов большой мощности ( 
) уменьшается до 1,5.
На рис. 7.3 и 7.4 показан типичный вид рабочих и модуляционных характеристик митрона, характеризующихся линейной зависимостью частоты от анодного напряжения и практически линейной зависимостью выходной мощности от управляющего напряжения. Отклонение частотной характеристики от линейной у широкополосных митронов с перестройкой по частоте в пределах октавы ( ) и более во всем частотном диапазоне не превышает ± 1 % средней частоты 
рабочего диапазона, а для узкополосных митронов повышенной мощности это отклонение оказывается несколько большим. Некоторая неравномерность амплитудной характеристики митрона СВЧ диапазона ( 
) объясняется в основном изменением величины доб 
ротности внешней колебательной системы по диапазону электрической перестройки и неравномерностью коэффициента стоячей волны ( 
) высокочастотной нагрузки, приводящей к отражению части мощности от нагрузки, и следовательно, к изменению режима генерирования колебаний. У широкополосных митронов неравномерность амплитудной характеристики не превышает 4…5 дБ во всей полосе генерируемых частот, а у узкополосных она не превышает 1…2 дБ. Уменьшение выходной мощности и анодного тока 
при некотором граничном значении объясняется начинающимся при этом напряжении интенсивным перехватом электронов управляющим электродом.
К рабочим параметрам митрона относятся:
– полный КПД η, определяемый отношением выходной мощности к подводимой:
,
где 
;
– крутизна электрической перестройки 
, которая может быть определена графически:
Нагруженную добротность 
внешней колебательной системы можно оценить приближенно по относительной ширине частотного диапазона перестройки.
7.2. Описание конструкции исследуемого митрона
В работе исследуется митрон, конструкция которого аналогична описанной в 7.1. Электронная пушка митрона состоит из спирального эмитирующего катода из торированного вольфрама и управляющего электрода. Пространством взаимодействия является встречно-штыревая структура, свернутая в кольцо и укрепленная на двух дисках. Электронная система, размещенная в вакуумной оболочке, устанавливается в широкополосной внешней колебательной системе (тороидальный резонатор) между полюсными наконечниками постоянного магнита. Связь митрона с линией передачи обеспечивается с помощью петли связи.
Параметры рабочего режима митрона приведены в отдельной «Инструкции по включению установки и проведению измерений».
7.3.Описание измерительной установки
Схема измерительной установки представлена на рис. 7.5. Высоковольтная часть схемы включает в себя исследуемый митрон, помещенный в защитный корпус из органического стекла, а также регулируемые источники питания анодной и управляющей цепи и источник накала. Стабилизированный источник питания 1 подает напряжение между катодом и заземленной анодной системой. Анодный ток и анодное напряжение контролируются приборами A1 и V1. Стабилизированный источник питания 2 подает напряжение на управляющий электрод. Ток и напряжение на управляющем электроде контролируются приборами А2 и V2. Питание накала митрона осуществляется стабилизированным источником напряжения, размещенным в изолированном блоке 3.
Внимание: Необходимо следить за тем, чтобы ток управляющего электрода был равен нулю.
 |
Высокочастотная часть схемы содержит коаксиальный тракт 4 с ферритовым вентилем 5, частотомер с цифровой индикацией 6, измерительную линию 7 и измеритель мощности 8.
Правила эксплуатации блоков питания и измерительной аппаратуры приводятся в отдельной «Инструкции по включению установки и проведению измерений».
7.4. Содержание работы