1 Магнетрон

Магнетрон. В магнетроне, изобретенном в Великобритании перед второй мировой войной, эти недостатки отсутствуют, поскольку за основу взят совершенно иной подход к генерации СВЧ излучения - принцип объемного резонатора. Подобно тому, как у органной трубы данного размера имеются собственные акустические резонансные частоты, так и у объемного резонатора имеются собственные электромагнитные резонансы. Стенки резонатора действуют как индуктивность, а пространство между ними - как емкость некой резонансной цепи. Таким образом, объемный резонатор подобен параллельному резонансному контуру низкочастотного генератора с конденсатором и катушкой индуктивности. Размеры объемного резонатора выбираются так, чтобы данному сочетанию емкости и индуктивности соответствовала нужная резонансная сверхвысокая частота. В магнетроне (рис. 1) предусмотрено несколько объемных резонаторов, симметрично расположенных вокруг катода, находящегося в центре. Прибор помещают между полюсами сильного магнита. При этом электроны, испускаемые катодом, под действием магнитного поля вынуждены двигаться по круговым траекториям. По мере движения, они группируются, образуя в пространстве области с высокой и низкой концентрацией. А скорость электронов такова, что они в строго определенное время пролетают рядом с резонаторами. При этом они отдают свою кинетическую энергию, возбуждая колебания в резонаторах. Благодаря такому устройству время пролета и межэлектродные емкости не мешают генерации СВЧ энергии.

Рис. 1.1. МАГНЕТРОН (вид с частичным вырезом, показывающим внутреннее устройство). Представляет собой двухэлектродную электронную лампу, которая генерирует СВЧ излучение за счет движения электронов под действием взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей. Применяется в качестве генераторной лампы радио- и радиолокационных передатчиков СВЧ диапазона, и в СВЧ печах. 1 - катод; 2 – токовые выводы нагревателя; 3 - анодный блок; 4 - объемные резонаторы; 5 - выходная петля связи; 6 - коаксиальный кабель.

Магнетроны могут быть изготовлены большого размера, и тогда они дают мощные импульсы СВЧ энергии.

Под действием постоянного напряжения электроны движутся от катода к аноду, и траектория их определяется действием магнитного поля.

Рис. 1.2. Электронные «спицы» в 8-резонаторном магнетроне

Взаимодействуя с наведёнными в резонаторах полями, электроны постепенно, с каждым новым витком, собираются в сгустки. Очень сложные траектории электронных потоков представляются в виде электронных «спиц» 1 (рис. 1.2). Электронные «спицы» вращаются в пространстве взаимодействия 3, вокруг катода 2, находясь в максимумах тормо­зящих полупериодов азимутального электрического поля.

При наличии высо­кочастотных колебаний благоприятные электроны непрерывным потоком по­ступают в «спицы» пространственного заряда и проходят на анод, обеспечивая постоянный анодный ток в магнетроне.

Неблагоприятные электроны, находящиеся в ускоряющей фазе высоко­частотного поля, удаляются из про­странства взаимодействия на катод, бомбардируют его, нагревая катод и вызывая вторичную эмиссию. Поэтому мощные магнетроны после запуска работают с выключенным накалом катода.

Рассмотренный механизм группировки электронов и передачи энер­гии высокочастотному полю в магнетроне, оказывается наиболее эф­фективным по сравнению с процессами, протекающими в других элек­тронных приборах СВЧ. Приборы магнетронного типа имеют самый высокий электронный КПД.

Рассмотрим процесс наведения высокочастотного тока в электровакуумном диоде (рис.1.3) и в выходной петле связи, при пролёте сгустка электронов, рядом со щелью объёмного резонатора. Наведенный ток протекает в течение времени пролета заряда — q от катода до анода. Когда движущийся заряд достигает анода, наведенный ток прекращается, если катод к этому времени, не формирует другой слой заряда. Таким образом, наведенный ток во внешней цепи электродов не связан с оседанием зарядов на электродах.

Рис. 1.3. Наведение тока во Рис. 1.4. Наведение тока (а) и его внешней цепи диода временная зависимость (б) в цепи ва-

куумного зазора

Рассмотрим теперь случай наведения тока во внешней цепи идеального вакуумного зазора (идеальным считается двух сеточный зазор, прозрачный для электронного потока и экранированный от внешних электромагнитных полей). Возьмем зазор, сетки которого, замкнуты накоротко внешним проводником (рис. 1.4, а). При этом электрическое поле в зазоре отсутствует и заряд, введенный в зазор, движется в нем с постоянной скоростью v₀.

Импульс тока, наведенный во внешней цепи такого идеального зазора, пронизываемого движущимся с постоянной скоростью v₀ электронным слоем шириной dz, имеет трапецеидальную форму (рис. 1.4, б). Он начинается в момент времени t₁ когда передняя гра­ница электронного слоя проходит через сетку I, и заканчивается в момент t₄, когда задняя граница слоя выходит из сетки II. Дли­тельности фронтов импульса наведенного тока соответствуют времен­ным интервалам прохождения слоя электронов через сетки зазора. В течение времени t₃ — t₂ наведенный ток не изменяется, поскольку заряд в зазоре и его скорость остаются постоянными.

Основные параметры некоторых типов магнетронов, настраиваемых напряжением (МНН), приведены в таблице:

Тип прибора	Параметры
	fген, ГГц	Рвых, Вт	КПД, %	Uа, кВ	Iа, мА
0,5PL0,5-l,5S O.5LS1-3S 100S2,5-3 500S2,9-3,l ZM6246 Z5429 50X8,5-9,5	0,5-1,5 1,3 2,5-3 2,9-3,1 4,8-5,3 8,5-11 8,5-9,5	0,5 0,5 100 500 75 0,1 50	50 50 60 72 55 45 45	2.4 2,4 3,6 3,2 3,2 2 4,5	10 10 80 70 70 30 55

У магнетрона имеются свои недостатки. Например, резонаторы для очень высоких частот становятся столь малыми, что их трудно изготавливать, а сам такой магнетрон из-за своих малых размеров не может быть достаточно мощным. Кроме того, для магнетрона нужен тяжелый магнит, причем требуемая масса магнита возрастает с увеличением мощности прибора. Поэтому для самолетных бортовых установок мощные магнетроны не подходят.

3