Сделай Сам Свою Работу на 5

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №4





"ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНЕТРОНА"

по курсу "ЭЛЕКТРОНИКА СВЧ"

для студентов специальности "Физическая электроника"

Цель работы:

Ознакомиться с устройством и принципом работы многорезонаторного магнетрона, исследовать влияние нагрузки на генерируемую мощность и частоту СВЧ-колебаний магнетрона.

Сведения из теории:

Многорезонаторный магнетрон представляет собой двухэлектродный СВЧ прибор, в котором взаимодействие электронов с высокочастотным полем происходит в перекрещивающихся постоянных электрическом и магнитном полях.

Магнетрон является одним из основных источников мощных колебаний сверхвысоких частот в диапазоне от дециметровых до миллиметровых волн. Основными преимуществами, обусловившими широкое применение магнетронных генераторов, являются:

  • Способность генерировать колебания СВЧ при больших уровнях выходной мощности: от единиц Вт до десятков кВт в непрерывном режиме и до десятков МВт в импульсном режиме;
  • Высокий коэффициент полезного действия, доходящий до 50% - 70%;
  • Сравнительно малые размеры, относительно небольшой вес и простота конструкции.

Магнетрон находит широкое применение в радиолокации, промышленных, медицинских установках , а также для питания ускорителей элементарных частиц и других целей.



 

Устройство магнетрона.

Устройство многорезонаторного магнетрона показано на рис.1. Он состоит из следующих основных частей (рис.1а): подогревного катода 6 с выводами 7, анодного блока (анода) 3 с резонаторами типа щель-отверстие 1,2 и вывода высокочастотной энергии 4 с петлей связи 5, находящейся в одном из резонаторов. В цельнометаллическом анодном блоке магнетрона имеются полости (обычно от 6 до 40), выполняющие роль резонаторов. Форма резонаторов бывает различной: типа щель-отверстие (рис.1б), щелевой (рис.1в), секторной (рис.1г). Свёрнутая в кольцо цепочка резонаторов представляет собой замедляющую систему, вдоль которой с определённой фазовой скоростью распространяется электромагнитная волна СВЧ поля.

Рис 1

Пространство между катодом и замедляющей системой, где осуществляется передача энергии электронов СВЧ полю, называется пространством взаимодействия. Постоянное, радиально направленное электрическое поле создаётся напряжением, приложенным между анодным блоком и катодом. Направленное вдоль оси магнетрона постоянное магнитное поле с индукцией B создаётся внешней магнитной системой, не показанной на рис.1а. Таким образом, в магнетроне электроны подвергаются действию скрещённых (взаимноперпендикулярных) постоянных электрического и магнитного полей и СВЧ поля замедляющей системы. В результате этого взаимодействия электроны образуют сгруппированный поток, вращающийся синхронно с высокочастотным полем замедляющей системы. Вследствие торможения высокочастотным полем электроны передают ему часть своей энергии, которая выводится с помощью петли связи из одного из резонаторов анодного блока.



 

Движение электронов в пространстве взаимодействия.

 

Движение электронов в пространстве взаимодействия магнетрона происходит в скрещённых постоянных электрическом и магнитном полях при наличии мощного высокочастотного поля и имеет весьма сложный характер. Для определения траекторий движения электронов в магнетроне рассмотрим сначала их движение в отсутствие переменного СВЧ поля в плоско-параллельной системе электродов катод - анод, показанной на рис. 2.

Полагая электрическое и магнитное поля однородными и начальные скорости электронов у катода нулевыми, дифференциальные уравнения, описывающие движение электрона, имеют вид:

; ,

где m, e – масса и заряд электрона; B, E – индукция магнитного и напряжённость электрического полей.

Рис 2

После интегрирования уравнений получаем:



(1)

где - циклотронная частота;

- радиус вращения электрона;

- переносная скорость.

Выражения (1) представляют собой уравнения циклоиды в параметрическом виде. В общем случае результирующая траектория является суммой вращения электрона с угловой частотой и радиусом r вокруг центра, движущегося равномерно и прямолинейно с переносной скоростью . В частном случае (см. Рис 2):

при B = 0 электрон движется от катода к аноду прямолинейно;

при электрон движется от катода к аноду по криволинейной траектории;

при электрон движется по циклоиде, касающейся анода;

при электрон не достигает анода и возвращается на катод, после чего цикл повторяется.

При все электроны, вылетающие из катода, достигают анода, и анодный ток остаётся постоянным. Поэтому при возбуждение СВЧ колебаний невозможно.

При электроны, вылетающие из катода, совершают колебательные движения в пространстве катод-анод и создают в цепи анода наведенный переменный ток. Поэтому при возможно самовозбуждение магнетрона.

В цилиндрическом магнетроне (рис.3), в отличие от плоского, электрическое поле не постоянно в пространстве взаимодействия, а является функцией расстояния от катода, что и определяет особенности движения электронов. В этом случае траектории электронов представляют собой результат сложений вращения вокруг центра и вращения этого центра вокруг оси катода, т.е. электроны движутся по эпициклоиде. На рис.3 показаны траектории электронов при различных величинах магнитного поля.

Рис 3

Связь между критической величиной магнитного поля и величиной анодного напряжения определяется выражением

,

где - радиусы катода и анода на рис.3 соответственно.

При наличии высокочастотного поля в генерирующем многорезонаторном магнетроне характер движения электронов в пространстве взаимодействия значительно усложняется. Поэтому ниже рассматривается лишь качественная сторона взаимодействия электронов с высокочастотным полем магнетрона, которое образуется в результате передачи электронами своей энергии высокочастотному полю.

Рис 4

На рис. 4, наряду с постоянным электрическим полем E и магнитным полем B, показаны силовые линии высокочастотного поля. Для электронов, вращающихся под действием постоянных полей по часовой стрелке, переменные электрические поля резонаторов 1,3, ... – ускоряющие, а поля резонаторов 2, 4, ... – тормозящие. Электрон А попадает в ускоряющее поле и отбирает энергию от резонатора, т.е. представляет собой «вредный» электрон, но он пролетает довольно далеко от щели резонатора и возвращается на катод. При наличии лишь постоянных полей E и B этот электрон летел бы по траектории, показанной пунктиром. Поле резонатора 1 искривляет траекторию электрона А и увеличивает его энергию так, что он преодолевает действие постоянного поля и возвращается на катод, отдавая ему свою энергию в виде тепла.

Электрон Б, попавший в тормозящее переменное поле резонатора 2, «полезный» электрон, он отдаёт часть своей энергии резонатору и уже не имеет достаточно энергии для того, чтобы вернутся на катод. Этот электрон теряет полностью свою энергию в какой-то точке пространства взаимодействия, не долетев до катода, а затем снова ускоренно летит к аноду по искривлённой под действием магнитного поля траектории. При определённом соотношении величин полей E и B время полёта «полезного» электрона от одной щели к другой составляет полпериода переменного СВЧ поля. Такой электрон, приблизившись к щели резонатора 3, опять окажется в тормозящем переменном поле, т.к. через полпериода у этого резонатора ускоряющее поле изменится на тормозящее. Следовательно, электрон снова отдаст часть своей энергии резонатору и затем приблизится ещё больше к аноду. Отдав значительную часть своей энергии СВЧ полю резонаторов, электрон попадает на анод, отдавая ему оставшуюся энергию, которая выделяется в нем в виде тепла.

«Полезные» электроны отдают резонаторам больше энергии, чем отнимают ее от резонаторов «вредные» электроны. Действительно, «вредный» электрон отнимает энергию только у одного резонатора и небольшую ее величину, так как пролетает далеко от щели в сравнительно слабом переменном поле. «Полезный» электрон отдаёт свою энергию нескольким резонаторам и в большем количестве, так как пролетает ближе к их щелям и в более сильном переменном поле.

В магнетроне весь поток электронов, излучаемых катодом, который имеет первоначально форму кольца, подвергается действию переменного СВЧ поля резонаторов и постоянных электрического и магнитного полей. В результате происходит модуляция электронов по скорости и изменение их траекторий таким образом, что электронное облако из кольцевого превращается в своеобразное зубчатое (рис.5), напоминающее колесо со спицами, но без обода. Спицы представляют собой сгущения электронного потока, получившееся в результате модуляции электронов по скорости и различных траекторий у «полезных» и «вредных» электронов. Между спицами имеются области более разрежённого объёмного заряда. Число электронных спиц равно половине числа резонаторов N.

Рис 5

Электронное облако со спицами вращается с такой скоростью, что концы спиц проходят мимо щелей, у которых в данный момент имеется тормозящее СВЧ поле. Промежутки между спицами, наоборот, проходят через ускоряющие поля. В итоге получается значительная отдача энергии резонаторам от электронного потока. Источником этой энергии служит источник анодного питания. Взаимодействие электронов с переменным электрическим полем в магнетроне получается таким, что электронный поток отдаёт полю больше энергии, чем отбирает от него. В результате этого происходит превращение возникших в резонаторах колебаний в незатухающие.

 

Виды колебаний и разделение частот в магнетроне.

 

Замедляющая система магнетрона, состоящая из цепочки резонаторов, является замкнутой. В такой системе могут возбуждаться колебания только на тех частотах, для которых фазовый набег вдоль всей длины замедляющей системы кратен . В этой системе из N резонаторов фазовый набег на каждом участке между соседними щелями будет равен

, (2)

где n = 0, 1, 2,…, определяет так называемый вид колебаний, т.е. показывает число полных длин волн, которые могут уложиться вдоль поверхности замедляющей системы. При этом полный фазовый сдвиг определяется как

Таким образом, в рассматриваемой системе может существовать N видов колебаний, отличающихся фазовыми сдвигами на ячейку, а, следовательно, частотой и распределением поля в пространстве взаимодействия. Однако, вследствие симметрии системы, при строго тождественных резонаторах, колебания видов , где k = 1, 2, …, -1, как это следует из (2), будут отличаться только направлением изменения фазы и иметь одинаковые частоты. Особое место занимает вид колебаний с k=2, т.е. при , для которого фазовый набег на ячейку равен , называемый противофазным или - видом колебаний. Для него отсутствует расщепление частот и именно этот вид колебаний в основном, используется в магнетронах. Распределения поля в пространстве взаимодействия для колебаний - вида показаны на рис.5.

Для определения собственных частот резонансной системы можно заменить реальную замедляющую систему цепочкой четырёхполюсников, количественные характеристики которой в заданной полосе частот соответствуют реальной системе. Эквивалентная схема замедляющей системы магнетрона приведена на рис.6. Элементы L, C представляют эквивалентные параметры резонаторов, -учитывает ёмкость сегментов на катод, т.е. определяет ёмкостную связь в системе, а взаимная индукция M – учитывает магнитную связь между резонаторами.

Выражение для собственных частот такой схемы имеет вид

,

где - собственная частота резонатора.

Рис 6 Рис 7

 

Анализ показывает, что разделение частот, т.е. разница собственных частот для соседних с - видом типов колебаний оказывается весьма небольшой (рис.7, кривая 1), особенно при больших n. Это приводит к тому, что при небольших изменениях напряжения питания или нагрузки магнетрона могут происходить перескоки частоты генерации (т.е. смена вида колебаний), возбуждение паразитного вида колебаний, уменьшение выходной мощности и к.п.д. Для ослабления этих вредных явлений необходимо отделить частоту рабочего типа колебаний от остальных, что наиболее легко осуществляется для колебания - вида. Обычно это достигается применением разнорезонаторных систем, состоящих из резонаторов с различными резонансными частотами.

Первый способ наиболее эффективен для выделения колебаний противофазного типа и применяется для диапазона длин волн длиннее 3 см. Он заключается в том, что с помощью специальных проводников или колец (связок) соединяются сегменты замедляющей системы, имеющие одинаковый потенциал при основном колебании, т.е. для - вида должны соединяться сегменты через один (например, как это показано на рис. 8). При этом по связкам ток основной частоты течь не будет и они внесут в систему только некоторую дополнительную ёмкость, что уменьшит частоту основного вида. Для других видов колебаний равенства потенциалов указанных сегментов не будет, что приводит к появлению тока в связках. В этом случае связки будут эквивалентны некоторой индуктивности, включенной параллельно основному контуру, и собственные частоты остальных видов увеличатся. На рис.7 представлены зависимости собственных частот для различных видов колебаний замедляющей системы без связок 1 и со связками 2. Как видно, введение связок существенно улучшает разделение частот основного (n=9) и остальных видов колебаний.

Рис 8 Рис 9

На волнах короче 3 см выполнение связок встречает конструктивные трудности из-за малости размеров системы. В этом диапазоне разделение частот осуществляется за счет применения разнорезонаторных замедляющих систем, рис.9. Принцип действия такого разделения основывается на увеличении разделения собственных частот в многоконтурных связанных системах при увеличении расстроек между контурами. Обычно в этом случае применяется два вида резонаторов с двумя различными значениями резонансных частот. Анализ характеристик этих систем показывает, что существуют две группы собственных частот системы, близких к резонансным частотам одной и другой групп резонаторов. Колебания - вида имеют при этом частоту, лежащую между частотами больших и малых резонаторов. Примерный вид распределения собственных частот в такой системе представлен на рис.7, кривая 3.

 

Характеристики магнетрона.

 

А) Электронный к.п.д.

В магнетроне электрон, перемещаясь от катода к аноду, отдаёт СВЧ-полю потенциальную энергию. Максимальная потенциальная энергия электрона, которая может перейти в энергию СВЧ-поля при анодном напряжении : . Однако часть этой энергии преобразуется в кинетическую энергию электрона и рассеивается в виде тепла при соударении электрона с анодом, где - скорость электрона у анода. Поэтому электронный к.п.д. можно определить по формуле

Для случая, когда электрон попадает на анод с максимальной скоростью, которую можно считать равной скорости электрона в верхней точке циклоиды, по формуле (1) (учитывая, что ) имеем

,

- зазор между анодом и катодом.

Следовательно, и

В современных многорезонаторных магнетронах электронный к.п.д. составляет 50% - 70%.

Б) Рабочие характеристики.

Рабочие характеристики магнетрона представляют собой связь между анодным напряжением и током при постоянных значениях мощности, к.п.д., индукции поля (рис.10).

Рис 10

Используя рабочие характеристики, можно выбрать режим работы ( , ), при заданных мощности, к.п.д., индукции.

В) Электронное смещение частоты.

В магнетроне наблюдается зависимость частоты генерации от режима работы. Механизм электронного смещения частоты (ЭСЧ) заключается в зависимости эквивалентных параметров замедляющей системы (в основном ёмкости связи , см. рис.6) от величины пространственного заряда, т.е. от анодного тока и в появлении рассогласования частоты вращения электронных спиц по сравнению с частотой вращения СВЧ поля в замедляющей системе. Поэтому, изменяя величину анодного тока , можно осуществить небольшое изменение частоты магнетрона. Эффективность электронной перестройки частоты магнетрона характеризуется коэффициентом

,

Г) Нагрузочные характеристики магнетрона.

Нагрузочные характеристики описывают зависимость выходной мощности и частоты генерации от изменения нагрузки.

Характеристики этого вида можно найти из анализа обобщённой эквивалентной схемы магнетрона (рис.11). На этой схеме резонансная система магнетрона, работающего при колебаниях - вида, заменена контуром L, C, G, где L, C – индуктивность и ёмкость, а G – проводимость контура.

Рис 11

Проводимость нагрузки , линия передачи и устройство вывода энергии представлены на схеме эквивалентными элементами. Активной частью схемы является так называемая электронная проводимость , равная отношению первой гармоники наведенного тока к напряжению СВЧ на контуре.

Нагрузкой магнетрона является входное сопротивление линии передачи

,

где - модуль и фаза коэффициента отражения оконечной нагрузки линии передачи.

Коэффициент отражения

,

где - волновое сопротивление линии передачи.

- импеданс нагрузки.

Модуль коэффициента отражения связан с коэффициентом стоячей волны (КСВ) в линии соотношением

Трансформируя сопротивление нагрузки в контур генератора, можно получить зависимость мощности СВЧ колебаний от импеданса нагрузки

,

где -мощность СВЧ колебаний, генерируемых магнетроном при условии полного согласования нагрузки.

Можно также получить следующее выражение для частоты колебаний в зависимости от модуля и фазы комплексного коэффициента отражения:

,

где - собственная частота резонансной системы генератора,

- коэффициент затягивания.

Коэффициент затягивания является важной характеристикой магнетрона, определяющей влияние нагрузки на частоту магнетрона. Он определяется как удвоенное максимальное значение отклонения частоты при КСВ = 1.5 ( ). Зависимость при КСВ = const называется кривой затягивания. При фиксированном значении модуля коэффициента отражения частота и мощность магнетрона являются периодическими функциями фазы коэффициента отражения (рис.12).

Рис 12

Изменение модуля и фазы коэффициента отражения можно получить с помощью трансформатора импедансов, включенного между магнетроном и нагрузкой.

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.