Электровакуумные приборы магнетронного типа

 

В [1] показано, что коэффициент усиления однокаскадного УОВ, в децибелах равен:

 

   (24)

 

А полоса пропускания усилителя:

 

        (25)

 

где - частота, соответствующая синхронизму (b=0). А - изменение параметра синхронизма, в пределах которого G падает на 3 .

 

Серьезным недостатком однокаскадного усилителя обратной волны является то обстоятельство, что большие коэффициенты усиления могут быть достигнуты при токах луча (потока электронов), близких к пусковому. Это приводит к нестабильной работе УОВ, особенно при попытках перестройки в широком диапазоне частот. Другим отрицательным свойством УОВ является возможность паразитной обратной связи из-за отражения во входном и выходном трактах.

 

Недостатки УОВ могут  быть в значительной степени ликвидированы  при использовании двухкаскадного усилителя обратной волны (КУОВ) рис.9.

 

 

Здесь входной сигнал поступает на вход первого каскада и модулирует электронный пучок. В процессе взаимодействия с пучком сигнал усиливается и рассеивается на локальном поглотителе, расположенном в начале первого каскада. Сгруппированный электронный пучок поступает на вход второго каскада и наводит в нем СВЧ поле . Отношение выходного сигнала к представляет собой коэффициент усиления КУОВ. Схема работает при токах меньше пускового, и при снятии входного сигнала выходной сигнал исчезает. Анализ КУОВ дает следующее выражение для коэффициента усиления [1]:

 

 

 

 

    (26)

 

 

 

Построим зависимость  коэффициента усиления G от и в простейшем случае двух одинаковых каскадов:   , и , для различных значений нормированного тока , рис. 10.

3.4 Применение ЛОВ типа М

 

ЛОВ применяются в  широкодиапазонных сигнал - и свип-генераторах для радиотехнических измерений и радиоспектроскопии, в гетеродинах быстро перестраиваемых приёмников, в задающих генераторах передатчиков с быстрой перестройкой частоты. Современные генераторы на ЛОВ типа М способны обеспечивать выходную мощность в непрерывном режиме порядка десятков киловатт в дециметровом и единиц киловатт в сантиметровом диапазонах. В настоящее время они являются самыми мощными генераторами СВЧ колебаний с электронной перестройкой частоты.

Синхронизированные генераторы на ЛОВ типа М обладают высокой  стабильностью частоты и низким уровнем шумов, что позволяет  их использование в системах связи  с частотной модуляцией.

4 Магнетрон

 

4.1 Устройство магнетрона и принцип работы

 

Принципиальная схема  магнетрона представлена на рис.11

 

рис.11

Принципиальная схема  магнетрона.

1. анодный блок резонаторов, 2. резонатор, 3. катод, 4. связки,

5. вывод энергии, 6. петля  связи, 7. ламель.

 

Магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющих роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. Соосно анодному блоку закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создается внешними магнитами или электромагнитом. Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля, закреплённая в одном из резонаторов, или отверстие из резонатора наружу цилиндра. Резонаторы магнетрона представляют собой замедляющую систему, в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определенных видах колебаний, из которых важное значение имеет π-вид. Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π. Для стабильной работы магнетрона (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 магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные — другой).

Отдельные модели магнетронов  могут иметь различную конструкцию. Так, резонаторная система выполняется  в виде резонаторов нескольких типов: щель-отверстие, лопаточных, щелевых  и т. д.

 

Рассмотрим принцип работы магнетрона. Электроны эмиттируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещенных электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по внутренней поверхности окружности большего радиуса). При достаточно сильном магнитном поле электрон, движущийся по этой кривой не может достичь анода, при этом говорят, что произошло магнитное запирание. В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения уменьшается и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона увеличивается и он получает возможность достигнуть анода. Поскольку электрическое поле анод катод совершает положительную работу только если электрон достигает анода, энергия всегда передаётся в основном от электронов к электромагнитной волне. Однако, если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг анода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находится непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с СВЧ полем и фазовая фокусировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и возможность получения больших мощностей.

 

4.2 Применение магнетронов

 

В радарных устройствах волновод подсоединен к антенне, которая может представлять собой как щелевой волновод, так и конический рупорный облучатель в паре с параболическим отражателем (так называемая «тарелка»). Магнетрон управляется короткими высокоинтенсивными импульсами подаваемого напряжения, в результате чего излучается короткий импульс микроволновой энергии. Небольшая порция этой энергии отражается обратно антенне и волноводу, где она направляется к чувствительному приемнику. После дальнейшей обработки сигнала он, в конце концов, появляется на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) в виде радарной карты. Также магнетроны используются в микроволновых печах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Список использованной литературы

 

1. Стальмахов В. С. Основы электроники сверхвысокочастотных приборов со скрещенными полями. – М.: Советское радио, 1963.
2. Кацман Ю. А. Приборы СВЧ М.: Высшая школа, 1983
3. Пилан А. М. Лекции имени Шехтмана по радиофизике                      (www. ft-2x.nm.ru/Pilan/Pilan.html)