2 магнетрона в резонансе: Разработки » АО «Плутон»

Параметры

Данные расчетов

Данные экспериментов

Рабочий ток, /д , А

23. -0,8)

и КПД имеют хорошее соответствие данным измерений (Табл.2.). Кроме этого, представлены результаты

3-       D моделирования динамики процесса вторичноэлектронного размножения при запуске магнетрона током первичных электронов с маломощного термоэлектронного катода, расположенного на месте торцевого экрана анодного блока (рис.2, а). Показано, что существенный вкпад в динамику процесса вто- рично-элекгронного размножения вносят концевые области ВЭК с эмиттером из платины (рис.З а, г ).

III.                                   Заключение

Разработана численная трехмерная цилиндрическая многопериодная модель магнетронного генератора на основе метода крупных частиц, учитывающая реальную трехмерную конфигурацию пространства взаимодействия, наличие распределенной и инжектированной эмиссии, неоднородности электрических и магнитных полей.

Проанализирован механизм нарастания заряда в пространстве взаимодействия и запуск магнетронно- го генератора с помощью инжекции электронов с электронной пушки, расположенной в области торцевого экрана. Показано, что процессы развиваются следующим образом: образование устойчивого электронного облака с небольшим зарядом, определяемым током пушки; увеличение радиуса циклоиды под действием сил пространственного заряда и начало процесса вторичной эмиссии; быстрое нарастание заряда до стационарного уровня и запуск прибора.

Проведенные расчеты процессов запуска магнетрона с различными значениями тока инжекции показали, что генерация в магнетроне наступает при любом токе инжекции, однако время запуска прибора существенно зависит от значения тока инжекции. При небольшом значении тока с бокового катода время запуска оказывается сравнимо с длительностью импульса, что может приводить к неустойчивой работе прибора.

IV.                            Список литературы

[1]  S. N. Sosnitskiy and D. М. Vavriv, «Theory of spatial- Harmonic Magnetron: An equivalent Network Approach», IEEE Trans. On Plasma Science, vol. 30, № 3, p.984-991, 2002.

[2]  Галаган A. В. Цилиндрическая трехмерная модель генератора со скрещенными полями. //Радиотехника. Изд. «Выща школа». Харьков. – 1989. – Вып. 88. – С. 130 -135.

[3]  Байбурин В. Б., Терентьев А. А., Гаврилов М. В., Поваров А. Б. Трехмерные цилиндрические уравнения движения электронов в неоднородных скрещенных полях //Радиотехника и электроника. Т.45. № 4. – С.492-498, 2000.

[4]  М. А. КороГ, V. D. Yeryomka, V. Р. Dzyuba, «3-D simulation of magnetrons with secondary-emission cathode stimulated by electrons from a field emitter», 15-th Int. Conf., »Micro- wave & Telecommunication Technology» (CriMiKo’2005). Conf. Proc., 12-16 September, 2005. – Sevastopol: Weber Publishing Co., vol.1, pp.225-228, 2005.

[5]  V. D. Yeryomka,, M. A. Kopot’, O. P. Kulagin,,

V. D. Naumenko, «3-D Simulation of Millimeter-wave Cold Secondary-Emission Drift-Orbital Resonance Magnetron», 2006 IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. 2006 IEEE Int. Vacuum Electron Sources (IVEC/IVESC-2006). Conf. Proc. Monterey, CA, USA. -P. 189-190, 2006.

[6]  J. Rodney M. Vaughan. «Secondary Emission Formulas», IEEE Trans, on Electron Devices, vol. ED-40, № 4, p. 830,

1993.

[7]  Ерёмка В. Д., Кулагин О. П., Науменко В. Д. «Разработка и исследование магнетронов в Институте радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова и Радиоастрономическом институте НАН Украины // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. Том. 9. Спец. вып. рр.42-67, 2000

[8]  О. Р. Kulagin, V. D. Yeryomka. Optimal Conditions for Drift- Orbital Resonance in M-type Devices// IEEE Trans. Plasma Science, vol.32, 3, pp.1181-1186, June, 2004.

[9]  O. P. Kulagin, V. D. Yeryomka. «The Flow Forming Potential in Unconventional Magnetrons» if Proc. Fifth IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC’2004), Monterey, USA, pp. 224 – 225, April 2004.

3-D SIMULATION OF COLD CATHODE MAGNETRONS OPERATING ON A SPACE HARMONIC IN A DRIFT-ORBITAL RESONANCE MODE

V.                         D. Yeryomka, M. A. Kopot’,

O.                        P. Institute of Radio Astronomy of National Academy of Sciences of Ukraine

4,       Krasnoznamennaya St., Kharkiv, 61002, Ukraine e-mail: [email protected]

I.                                       Introduction

The mathematical 2-D model describing in a self-consistent fashion the physical processes in millimeter-wave (MMW) cold second-emission cathode (SEC) magnetrons (Fig.1) operating on a space harmonics of non- Я – mode oscillation can be used to study both the dynamics of establishing self-induced oscillations and the stationary oscillations regimes [1]. However the 2- D model does not take into account the finiteness of its space interaction axial length in these magnetrons.

A 3-D mathematical model for the cold SEC magnetrons has been worked out allowing for the finiteness of the axial length of its space interaction [2-5]. The numerical experiment involves the use of the PIC code. The equations presented in [6] have been taken into consideration in simulating the secondary electron emission processes with regard to the angle at incidence of primary electrons.

II.                                        Main Part

The input data for the numerical experiment are the parameters that can be measured: geometry of magnetron’s space interaction, natural frequency and the loaded Q of the oscillatory circuit on an operating mode, a permanent magnetic field and an anode voltage. The device output performances such as anode current, output power and efficiency are the results from calculations and do not require that their rough value are known. Simulations are made of dynamic processes of secondary electron multiplication and the device output in stationary mode Using the 3-D mathematical simulation the characteristics of a MMW pulse 20-cavity side thermionic cathode and a cold SEC magnetron have been benchmarked. This magnetron has been designed and developed at the Usikov IRE of NAS of Ukraine and is operated in a mode of the first negative space

harmonic of a low-orbit drift-orbital resonance fl — \ (triangle. Fig.2) [5] [7]- [9]. -0.8) and efficiency have a good agreement with

measurement date (see Table2). In addition, the results are presented of the 3-D simulation of the dynamics of the secon- dary-electron multiplication process in triggering the magnetron by the current of the primary electrons from a low-power thermionic cathode located where the second end screen of the anode block (Fig.3, a). Should be positioned it is shown that a substantial contribution to the dynamics of the secondary- electron multiplication is made by the end regions of the SEC having a platinum emitter (see Fig 3, b-d)

III.                                       Conclusion

The 3-B model of the secondary-electron multiplication dynamics in cold cathode magnetrons having a SEE, which is bombarded by the primary electrons from the side thermionic emitter. The carried out calculations of start magnetron processes with various values of a injection current shown, that generation in magnetron comes at any injection current, however start time of the device essentially depends on injection current value. At small value of a current с the lateral cathode time of start appears is comparable to duration of a pulse that can result in unstable work of the device.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Микроволновая техника — магнетроны — CoderLessons.com

В отличие от трубок, обсуждаемых до сих пор, магнетроны являются трубками поперечного поля, в которых электрические и магнитные поля пересекаются, то есть проходят перпендикулярно друг другу. В ЛБВ наблюдалось, что электроны, когда они взаимодействуют с РЧ в течение более длительного времени, чем в клистроне, приводят к более высокой эффективности. Та же техника применяется в магнетронах.

Типы магнетронов

Существует три основных типа магнетронов.

Тип отрицательного сопротивления

• Используется отрицательное сопротивление между двумя сегментами анода.
• Они имеют низкую эффективность.
• Они используются на низких частотах (<500 МГц).

Циклотронные частотные магнетроны

• Рассмотрен синхронизм между электрической составляющей и колеблющимися электронами.

• Полезно для частот выше 100 МГц.

Рассмотрен синхронизм между электрической составляющей и колеблющимися электронами.

Полезно для частот выше 100 МГц.

Тип бегущей волны или полости

• Взаимодействие между электронами и вращающимся электромагнитным полем учитывается.

• Высокие пиковые колебания мощности предоставляются.

• Полезно в радарных приложениях.

Взаимодействие между электронами и вращающимся электромагнитным полем учитывается.

Высокие пиковые колебания мощности предоставляются.

Полезно в радарных приложениях.

Полость Магнетрон

Магнетрон называется полым магнетроном, потому что анод состоит из резонансных полостей, а постоянный магнит используется для создания сильного магнитного поля, действие которого заставляет устройство работать.

Строительство полости Магнетрон

Толстый цилиндрический катод присутствует в центре, а цилиндрический блок из меди закреплен в осевом направлении, что служит анодом. Этот анодный блок состоит из ряда прорезей, которые действуют как резонансные анодные полости.

Пространство, существующее между анодом и катодом, называется пространством взаимодействия . Электрическое поле присутствует радиально, в то время как магнитное поле находится аксиально в магнетроне резонатора. Это магнитное поле создается постоянным магнитом, который расположен так, что магнитные линии параллельны катоду и перпендикулярны электрическому полю, присутствующему между анодом и катодом.

На следующих рисунках показаны конструктивные детали магнетрона резонатора и магнитные линии магнитного потока, присутствующие в осевом направлении.

Эта полость Магнетрон имеет 8 полостей, тесно связанных друг с другом. Магнетрон с N-резонатором имеет N режимов работы. Эти операции зависят от частоты и фазы колебаний. Полный фазовый сдвиг вокруг кольца резонаторов этой полости должен составлять 2n pi, где n — целое число.

Если  phiv представляет относительное изменение фазы электрического поля переменного тока в соседних полостях, то

 phiv= frac2 pinN

Где n=0, pm1, pm2, pm( fracN2−1), pm fracN2

Это означает, что  fracN2 мода резонанса может существовать, если N является четным числом.

Если,

n= fracN2 quadthen quad phiv= pi

Этот режим резонанса называется  pi−mode.

n=0 quadthen quad phiv=0

Это называется нулевой модой , потому что между анодом и катодом не будет ВЧ электрического поля. Это также называется краевым полем, и эта мода не используется в магнетронах.

Эксплуатация полости Магнетрон

Когда полость Klystron находится в работе, у нас есть разные случаи для рассмотрения. Давайте рассмотрим их подробно.

Случай 1

Если магнитное поле отсутствует, т. е. B = 0, то поведение электронов можно наблюдать на следующем рисунке. Рассмотрим пример, когда электрон a непосредственно направляется на анод под действием радиальной электрической силы.

Дело 2

Если происходит увеличение магнитного поля, боковая сила действует на электроны. Это можно наблюдать на следующем рисунке, рассматривая электрон b, который идет по криволинейной траектории, в то время как обе силы действуют на него.

Радиус этого пути рассчитывается как

R= fracmveB

Он изменяется пропорционально скорости электрона и обратно пропорционален напряженности магнитного поля.

Дело 3

Если магнитное поле B еще больше увеличивается, электрон следует по пути, такому как электрон с , просто задев поверхность анода и обнулив ток анода. Это называется « Критическое магнитное поле » (Bc), которое является отсеченным магнитным полем. Обратитесь к следующему рисунку для лучшего понимания.

Дело 4

Если магнитное поле сделано больше, чем критическое поле,

B>Bc

Затем электроны следуют пути как электрон d , где электрон прыгает обратно к катоду, не переходя к аноду. Это вызывает « обратный нагрев » катода. Обратитесь к следующему рисунку.

Это достигается отключением электропитания после начала колебаний. Если это будет продолжаться, это повлияет на эффективность излучения катода.

Работа резонатора магнетрона с активным радиочастотным полем

До сих пор мы обсуждали работу резонатора магнетрона, где РЧ-поле отсутствует в полостях магнетрона (статический случай). Давайте теперь обсудим его работу, когда у нас есть активное поле RF.

Как и в ЛБВ, предположим, что присутствуют начальные радиочастотные колебания из-за некоторого переходного процесса шума. Колебания поддерживаются работой устройства. В этом процессе испускаются три вида электронов, действия которых понимаются как электроны a , b и c в трех разных случаях.

Случай 1

Когда присутствуют колебания, электрон a замедляет передачу энергии колебаться. Такие электроны, которые передают свою энергию колебаниям, называются предпочтительными электронами . Эти электроны ответственны за эффект группировки .

Дело 2

В этом случае другой электрон, скажем, b , получает энергию от колебаний и увеличивает свою скорость. Как и когда это будет сделано,

• Это изгибается более резко.
• Он проводит мало времени в пространстве взаимодействия.
• Возвращается к катоду.

Эти электроны называются нежелательными электронами . Они не участвуют в эффекте группировки. Кроме того, эти электроны вредны, поскольку они вызывают «обратный нагрев».

Дело 3

В этом случае электрон с , который испускается чуть позже, движется быстрее. Он пытается догнать электрон а . Следующий испущенный электрон d пытается шагнуть с a . В результате предпочтительные электроны a , c и d образуют электронные сгустки или электронные облака. Называется это «Фазовый фокусирующий эффект».

Весь этот процесс лучше понять, если взглянуть на следующий рисунок.

На рисунке A показаны движения электронов в разных случаях, а на рисунке B показаны сформированные электронные облака. Эти электронные облака возникают во время работы устройства. Заряды, присутствующие на внутренней поверхности этих анодных сегментов, следуют колебаниям в полостях. Это создает электрическое поле, вращающееся по часовой стрелке, которое можно увидеть во время практического эксперимента.

В то время как электрическое поле вращается, линии магнитного потока формируются параллельно катоду, под воздействием которого электронные сгустки образуются с четырьмя спицами, направленными через равные промежутки времени к ближайшему положительному сегменту анода по спиральным траекториям.

Магнетрон

Магнетрон.

История лазера

Магнетрон

На сцене появилось новое устройство, магнетрон, которое стало в середине 1920-х гг. преимущественным генератором. Было показано, что с помощью магнетрона можно получать очень высокие частоты.

В магнетроне используется комбинация электрического и магнитного полей. В первой реализации прямая нить накала (катод) окружалась цилиндрическим анодом. Внешнее магнитное поле было направлено так, чтобы заставить электроны, летящие к аноду, двигаться по спирали между двумя электродами.

Это устройство было изобретено Альбертом В. Халлом (1880—1966), который родился на ферме в штате Коннектикут и после получения степени в Йельском университете в 1913 г. стал работать в исследовательской лаборатории Дженерал Электрик (GE). В 1914 г. он изобрел «динатрон», первый в длинном ряду радиоламп впервые созданных им. Он также проводил исследования по проблемам кристаллографии и использовал рентгеновские лучи.

В течение 1916 г. Халл начал эксперименты по контролю потока электронов в лампах с помощью магнитного поля как альтернативный способ вместо сетки, который использовался в то время. Контроль с помощью сетки в то время был объектом спора между Дженерал Электрик и Американской Телефонной и Телеграфной Компании, касающимся оплаты автору изобретения Ли де Форесту.

В 1920-х гг. Халл и его сотрудники в Дженерал Электрик продемонстрировали, что устройство, первоначально имевшее несколько названий, но, в конце концов, стало называться магнетроном, может быть использовано на низких частотах в качестве усилителя или генератора в радиосистемах, а также в качестве электронного ключа в преобразователях мощности. Летом 1921 г. права на изготовление ламп, по-видимому, сделали магнетрон не очень важным для радиотехники. В Дженерал Электрик продолжались работы с магнетроном, но для высоких мощностей. В 1925 г. Халл изготовил магнетрон высокой мощности для получения волн с длиной 15 км и мощностью 15 кВт.

Важное открытие, что магнетрон может генерировать колебания с очень высокой частотой, было независимо сделано в Германии и в Японии в середине 1920-х гг., но оно оставалось неизвестным в Америке вплоть до 1928 г. Чешский физик Август Цачек опубликовал в 1924 г. на чешском языке результаты экспериментов, в которых он сумел генерировать волны длиной 29 см. Однако эти результаты получили распространение только, когда его работа была описана в немецком специализированном журнале в 1928 г. В 1924 г. аналогичные результаты были получены Эриком Хабаном в университете г. Йена.

В Японии электрофизик Хидетсугу Яги (1886— 1976) и его студент Кинийро Окабе (1896—1984) внесли важный вклад в разработку магнетрона высоких частот. Яги родился в Осаке и получил степень по техническим наукам в Токийском университете в 1909 г. Перед Первой мировой войной он учился в Англии вместе с Джоном Флемингом, изобретатель лампового диода для детектирования радиоволн. Яги заинтересовался возможностью связи на коротких волнах, когда провел некоторое время в Дрездене (Германия) с Генрихом Георгом Баркгаузеном (1881 — 1856), изобретатель особой ламповой схемы для генерации высоких частот. С началом войны Яги возвратился в Японию для преподавания в Тохоку Имперском университете, где он в 1919 г. получил докторскую степень. В начале 1920-х гг. он узнал о магнетроне Халла от японского морского офицера, который возвратился после посещения США.

Окабе, который стал первоклассным специалистом по магнетронам, окончил университет Тохоку в 1922 г., а в 1928 г. защитил под руководством Яги диссертацию. В 1927 г. Окабе сообщил, что ему удалось получить генерацию с длиной волны около 60 см, используя магнетрон. Он исследовал множество электродов разной геометрии, и обнаружил, что если разрезать цилиндрический анод на два полуцилиндра (конфигурация известная как «разрезной анод»), то можно получить большую мощность. В 1928 г. Яги посетил США, чтобы обсудить эксперименты Окабе, который к тому времени уже генерировал волны в 12 см. Яги также описал разработанную им направленную антенну сверхвысоких частот, которая состояла из активного элемента и нескольких отражающих и пассивных элементов. Эта антенна нашла широчайшее применение в телевизионной технике.

После того как в 1931 г. англо-французская группа установила связь через Ла-Манш, используя волны 18 см, во всем мире возник огромный интерес к коммуникациям на микроволнах (релейные радиолинии). Один журнал опубликовал редакционную статью, в которой утверждалось, что эта система открыла нетронутую землю, что обеспечивает диапазон частот для тысяч радиоканалов. Редактор писал, что эксперимент через Ла-Манш означает «новую эпоху в области электрических коммуникаций», он настолько революционен, что требует нового имени. Он отмечал также, что аппаратура настолько компактна, что подобные системы можно устанавливать на кораблях и самолетах.

Также хорошо известный специалистам американский периодический журнал Electronics объявил, что потрясающая линия между Дувром и Кале показала, что ультракороткие волны, рассматриваемые как мало полезные, вдруг приобрели огромную важность.

Магнетрон начал свое триумфальное шествие: число научных публикаций об этом устройстве стремительно росло до 1933 г. и оставалось на высоком уровне вплоть до 1940 г. , когда в связи с разразившейся войной публикации прекратились по соображениям секретности. Важные исследования, приведшие к существенным улучшениям, были сделаны в 1930-х гг. во Франции, Англии и Германии.

Военно-техническая подготовка

2.2. Приборы СВЧ

2.2.1. Клистроны

В РПУ РЛС для генерации, модуляции и усиления колебаний нашли применение

пролетные клистроны

(прибор типа О).

а)                                                                                                   в)

Рис.1. Устройство (а) и принцип формирования групп электронов (в) двухрезонаторного пролетного клистрона

Катод

К

излучает электроны, которые под действием положительного напряжения на ускоряющем электроде

У

приобретают высокую скорость и, пройдя  сетки С1 и С2, двигаются в направлении анода А. Он находится под высоким положительным потенциалом Еа и играет роль коллектора.

Сетки

С1

и

С2

это стенки объемного резонатора

Р1

, являющегося входным колебательным контуром клистрона. К нему подводятся усиливаемые колебания.

При отсутствии входного СВЧ сигнала в лампе имеется равномерный поток электронов, летящих со скоростью V.

Когда на сетке

С2

будет положительное напряжение, а на сетке

С1

— отрицательное, электроны, находящиеся между ними, получат ускорение +DV и далее будут двигаться со скоростью V + DV. Когда же на сетке

С1

будет положительное напряжение, а на сетке

С2

— отрицательное, электроны получат замедление -DV и в дальнейшем будут двигаться  со скоростью V — DV.

В междуэлектродном пространстве клистрона происходит образование групп электронов. Возникшие группы электронов (импульсы) отдают свою кинетическую энергию в цепи выходного колебательного контура

Р2

.

Он помещается на участке наибольшей плотности групп электронов, которые, индуктируют в нем СВЧ сигнал, отдавая ему часть своей энергии, полученной от  анодного источника Еа.

Коэффициент усиления по мощности Кр двухрезонаторного пролетного клистрона не превышает значения 20 дб, а КПД — 50%.

Значение Кр повышается до 40-50 дб, а КПД до 60%, если использовать многорезонаторные схемы.

Рис. 2. Многорезонаторный клистрон.

На пути электронов, располагают еще несколько не связанных с нагрузкой резонаторов, чтобы электроны, пролетая через них, получали дополнительную скоростную модуляцию. В конце пространства дрейфа группировка электронов по плотности максимальна и импульсный электронный поток отдает большую энергию полю выходного резонатора.

Эксплуатационные характеристики

клистронов

По роду работы

клистроны подразделяют на импульсные и непрерывного действия. Импульсная работа обеспечивается подачей импульсов напряжения на резонаторы или управляющий электрод.

По уровню мощности

выделяют маломощные, средней мощности и сверхмощные пролетные клистроны. Мощность в импульсе у маломощных импульсных клистронов менее 10 кВт, у клистронов средней мощности от

10 кВт — до 1МВт, у сверхмощных — более 100 МВт. Для клистронов непрерывного действия мощность соответственно меньше 10 Вт, от 10 Вт до 1 кВт, от 1 до 100 кВт.

Полоса пропускания

пролетных клистронов в сантиметровом диапазоне длин волн составляет десятые доли процента от несущей частоты.

Значения питающих напряжений

для работы клистронов составляют единицы-десятки киловольт.

В клистронах применяется фокусировка полем постоянных магнитов, однако значения коэффициента шума для клистрона достаточно велики (тысячи).

Для ввода и вывода СВЧ-энергии используют коаксиальные, волноводные и коаксиально-волноводные системы. Охлаждение клистронов, как правило, используется принудительное жидкостное.

Вывод: достоинствами пролетных клистронов следует признать высокие значения коэффициента усиления и КПД, недостатками – узкополосность и высокий коэффициент шума.

2.2.2. Магнетроны

В некогерентных РПУ используются генераторы СВЧ М типа –

магнетроны

. В них, в энергию СВЧ-поля непосредственно преобразуется потенциальная энергия электронов. Такое взаимодействие электронов и СВЧ-поля обеспечивается при использовании взаимно перпендикулярных (скрещенных) электрического и магнитного полей.

Рис. 1. Восьмирезонаторный магнетрон

Рис. 2. Принцип работы магнетрона

Колебательная система магнетрона образована рядом объемных резонаторов, выполненных в материале анода. Электроны эмитируются цилиндрическим катодом. Между катодом и анодом пространство взаимодействия. Резонаторы связаны с ним через щели, так что СВЧ-поле «провисает» в это пространство.

Энергия выводится с помощью витка связи, находящегося в одном из резонаторов. Вакуумная камера магнетрона помещена между полюсами магнита, направление магнитного поля совпадает с осью катода.

В пространстве взаимодействия электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны. Электроны, находясь в пространстве взаимодействия, движутся по траекториям, напоминающим циклоиду, и образуют электронный поток, вращающийся вокруг катода.

Осуществляется модуляция скорости электронов и изменение траектории их движения. В результате чего вращающееся электронное «облачко» из кольцевого превращается в зубчатое. Число электронных «спиц» равно половине числа резонаторов.

Электронное «облачко» вращается с такой скоростью, что «спицы» проходят мимо щелей в тот момент, когда там существует тормозящее поле. Промежутки между «спицами», проходят через ускоряющие поля. Происходит отдача электронным «облачком» энергии резонаторам и потеря энергии на разогрев катода и анода от электронной бомбардировки. Вся эта энергия потребляется от анодного источника.

Эксплуатационные характеристики

магнетрона

Выходная мощность

магнетронов непрерывного действия составляет от долей ватта до нескольких десятков киловатт, а магнетронов импульсного действия — от 10 Вт до 10 МВт. Электронный КПД магнетронов может превышать 70%. Собственная добротность резонаторов порядка 1000.

Магнетрон характеризуется

узкой полосой пропускания

(единицы процента от несущей частоты).

Значения питающих напряжений

для работы магнетрона составляют от единиц до десятков киловольт.

Магнетроны находят широкое применение в СВЧ-устройствах в качестве генераторов в ПРУ некогерентных систем.

Для ввода и вывода СВЧ-энергии используют коаксиальные, волноводные и коаксиально-волноводные системы.

Вывод:

достоинствами

магнетрона следует признать высокие значения КПД и выходной мощности,

недостатками

– узкополосность и невозможность генерации когерентных сигналов.

2.2.3. Амплитроны

Амплитрон является усилителем СВЧ, прибором М типа, применяемым в некогерентных РПУ. Схематически амплитрон имеет много общего с магнетроном. Он имеет замедляющую систему в виде цепочки резонаторов, но в отличие от магнетрона эта цепочка разомкнута и в анодном блоке образованы вход и выход. Чтобы устранить возможность самовозбуждения колебаний, в амплитроне делают обычно нечетное число резонаторов.

Так же, как и в магнетроне, возникает замкнутое вращающееся электронное «облачко», которое взаимодействует с движущейся навстречу электромагнитной волной. При передаче энергии электронов этой волне происходит усиление колебаний.

Рис. 7. Упрощенная схема амплитрона

Эксплуатационные характеристики амплитрона

КПД амплитронов не менее 55%, а в мощных и сверхмощных приборах достигает 85%.

В непрерывном режиме амплитроны дают выходную мощность до 500 кВт, а в импульсном — 10 МВт и даже больше.

Коэффициент усиления — десятки. Относительная ширина полосы частот 5 — 10%.

Анодное напряжение — единицы или десятки киловольт, а ток анода — десятки ампер.

Вывод

: достоинствами амплитрона следует признать высокие значения КПД и выходной мощности, достаточно широкую полосу частот, недостатками – малое значение коэффициента усиления, необходимость формирования высоких уровней входных сигналов.

2.2.4. Лампы бегущей и обратной волны

Для усиления СВЧ колебаний в РПрУ используются лампы бегущей и обратной волны (ЛБВ и ЛОВ) (О тип). Они используют длительное взаимодействие электронов и СВЧ-поля, что позволяет получить необходимое группирование электронов при сравнительно слабом входном сигнале. Рассмотрим усилители СВЧ на примере ЛБВ.

В приборах с бегущей волной применяют специальные линии передачи – замедляющие системы, для понижения фазовой скорости волны до величины сравнимой со скоростью электронного потока, что значительно меньшей скорости света.

Рис. 1. Лампа бегущей волны

Электронная пушка (катод) обеспечивает формирование, необходимую начальную фокусировку электронного пучка и регулировку его тока.

Трубка с «антеннкой» является элементом связи замедляющей системы (спирали) с входным волноводом. Такая же «антеннка» используется для связи с выходным волноводом.

Электронный поток проходит внутри спирали, взаимодействует с ее СВЧ-полем и затем попадает на коллектор, который имеет форму стакана или конуса.

Фокусирующая система (соленоид) обеспечивает фокусировку электронного пучка на всей длине прибора.

Замедляющая система обеспечивает и модуляцию электронного потока по плотности, и передачу кинетической энергии электронов от промодулированного потока выходному сигналу.

Отличия ЛОВ от ЛБВ обусловлены использованием не прямой, а обратной пространственной гармоники ЭМВ. За счет этого взаимодействие электронного потока и ЭМВ происходит не на попутных, а на встречных курсах.

Рис. 2. Лампа обратной волны

Эксплуатационные характеристики

ЛБВ (ЛОВ).

По величине

выходной мощности

ЛБВ (ЛОВ) подразделяются на приборы малой мощности (доли милливатта — 1 Вт), средней мощности (1-100 Вт), большой мощности (более 100 Вт) и сверхмощные (более 100 кВт).

По режиму работы различают приборы непрерывного и импульсного действия.

ЛБВ со спиральной замедляющей системой характеризуется

широкой полосой пропускания

(до 100% от несущей частоты) и относительно малой выходной мощностью, ЛОВ при аналогичной выходной мощности имеет узкую полосу пропускания (десятые доли процента от несущей частоты).

Значения питающих напряжений

для работы ЛБВ (ЛОВ) составляют единицы киловольт.

Значения

коэффициента шума

для ЛБВ (ЛОВ) невелики, в малошумящих (входных) приборах Kш=2,5-20 (или 4-13 дБ). В более мощных Kш=20-1000 (13-30 дБ).

Для ввода и вывода СВЧ-энергии используют коаксиальные, волноводные и коаксиально-волноводные системы. Принудительное охлаждение ЛБВ как правило не используется.

Вывод:

достоинствами

приборов следует признать низкий коэффициент шума и возможность выбрать требуемую полосу пропускания (в широкополосные схемы — ЛБВ, в узкополосные — ЛОВ),

недостатками

– относительно невысокие значения коэффициента усиления и КПД.

2.2.5. Диоды СВЧ

Сверхвысокочастотными называют полупроводниковые диоды, используемые для преобразования, детектирования, усиления, умножения, генерирования и управления уровнем мощности сигналов сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн (

f

> 1 ГГц).

Фото. СВЧ диоды и свинцовая капсула для их хранения.

Для удобства включения в соответствующие элементы цепей СВЧ (например, волноводы, коаксиальные линии, резонаторы) смесительные диоды помещают в герметичные металлокерамические корпуса различной конструкции.

Диод в корпусе, изображенном на рисунке 1 а, используется в сантиметровом диапазоне длин волн до частот порядка 12 ГГц.

Рис. 1.


Конструкции смесительных диодов: а, б — корпусная; в, г, д, е — бескорпусная; ж — бескорпусная типа “кроватка”

Коаксиальная конструкция диода (рисунок 1 ,б) получила распространение в системах СВЧ короткого сантиметрового диапазона до частот порядка 30 ГГц.

Основные характеристики СВЧ диодов

1)

Потери преобразования диода L

. Они характеризуют уменьшение мощности сигнала СВЧ (

P

c ) при его преобразовании в сигнал ПЧ (

P

пч) и равны отношению номинальных мощностей этих сигналов.

2)

Относительная шумовая температура t

ш и

Коэффициент шума.

Они характеризует избыточные шумы, вносимые диодом на ПЧ по сравнению с шумами обычного резистора в той же полосе частот.

3

Выходное сопротивление R

вых имеет важное значение для согласования диода с УПЧ. При разработке диодов принимают меры к тому, чтобы

R

вых было близко к типовому значению входного сопротивления усилителя. Однако полного соответствия получить не удаётся.

4)

Входное сопротивление диода

также имеет существенное значение, так как неправильное согласование входа смесителя с входным трактом может привести к значительному отражению мощности принятого сигнала.

5)

Выпрямленный ток I

0 есть результат детектирования колебаний гетеродина и определяется ВАХ диода.

6)

Электрическая прочность диодов

в области отрицательных напряжений характеризуется нормированным обратным напряжением

U

норм.обр , при котором обратный ток достигает определённого значения, например

I

обр = 10 мкА.

Для германиевого диода

U

норм. обр ≈ 3

…

4 В.

7)

Электрическую прочность диода

характеризуют мощности

P

непдоп ,

P

ндоп и энергия

W

п доп. При превышении этих уровней мощности может произойти необратимое ухудшение параметров диода или полное выгорание его выпрямляющего контакта.

8)

Быстродействие

. Инерционность электрических процессов в диоде определяется постоянной времени

t

=

r

б

C

бар и инерционностью неосновных носителей, определяющих диффузионную ёмкость

р–n

-перехода при протекании прямого тока. Поэтому для повышения частотного предела работы используют переходы с малыми поперечными размерами — точечные, барьерная ёмкость которых не превышает десятых долей пикофарад, либо диоды с барьером Шоттки, у которых практически отсутствует диффузионная ёмкость.

2.2.6. Смесители СВЧ

Смеситель СВЧ

это устройство, выполненное на волноводной, коаксиальной или микрополосковой линии передачи с одним или несколькими смесительными диодами, осуществляющее преобразование частоты.

Смесители отличаются от детекторов наличием еще одного входа для подключения гетеродина. Смеситель совместно с гетеродином входит в состав преобразователя. Преобразование частоты широко используется в супергетеродинных приёмниках для получения промежуточной частоты.

Общие требования, предъявляемые к смесителям, следующие: минимальный коэффициент шума Кш и потери преобразования

L

; равномерность АЧХ и линейность ФЧХ; минимальный уровень мощности гетеродина; максимальная развязка трактов гетеродина и сигнала СВЧ; максимальное подавление нежелательных продуктов преобразования; надёжность работы; малые габаритные размеры и масса.

Различают небалансные, балансные, двойные балансные и кольцевые схемы смесителей.

Рассмотрим для примера волноводный небалансный смеситель.

Рис. 1. Структура продольного сечения волноводного небалансного смесителя

Смесительная секция 1 с диодом 2 и коаксиальным выводом постоянного тока и промежуточной частоты (ПЧ) 3 соединена с направленным ответвителем (НО) 4. В основную линию НО подаётся принимаемый сигнал

P

c , во вспомогательную линию — мощность гетеродина

P

г . Этим обеспечивается развязка цепей сигнала и гетеродина. Большая часть мощности гетеродина поглощается в согласованной нагрузке 5. В этом заключается один из недостатков небалансного смесителя. Четвертьволновый фильтр 6 обеспечивает развязку цепей ПЧ и СВЧ. Мощность гетеродина поступает в основную линию через отверстие связи 7.

Главным недостатком небалансного смесителя является преобразование амплитудных шумов гетеродина на ПЧ.

Этого недостатка лишены балансные смесители, в нагрузке которых шумовые токи гетеродина от двух диодов взаимно компенсируются, а полезные сигналы – складываются.

Рис. 2. Структура балансного смесителя

2.2.7. Детекторы СВЧ

Детектором

называют устройство, предназначенное для детектирования колебаний, т. е. выделения закона их модуляции.

Детекторы СВЧ используют в устройствах контроля или автоматического регулировании уровня мощности и частоты, контроля формы сигналов, а также в детекторных (или прямого усиления) приемниках.

Детектирование осуществляется благодаря нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) электронного прибора, в качестве которого чаще всего применяют СВЧ диоды.

К детекторам предъявляют следующие требования:

— высокой чувствительности, которая в основном определяется чувствительностью диода по току;

— хорошего согласования по входу в рабочей полосе частот, которая может составлять десятки процентов для полноводной конструкции и более октавы при коаксиальном или полосковом исполнении;

— малого уровня собственных шумов при их использовании для детектирования слабых сигналов;

— конструкция детектора должна быть надежной и удобной в эксплуатации, иметь малые габариты и массу.

Детектор состоит из устройства связи с СВЧ трактом (согласующего устройства), детекторного полупроводникового диода, фильтра нижних частот и устройства вывода сигнала на постоянном токе и НЧ (в случае модулированного сигнала).

Для повышения избирательности и чувствительности детектора диод может быть помещен в резонатор — диодную камеру, играющую роль входного фильтра и являющуюся конструктивной базой для крепления остальных элементов детектора. Обычно СВЧ детектор называют

детекторной головкой

, или детекторной секцией.

Рис. СВЧ детектор.

Пример конструкции перестраиваемой волноводной детекторной головки. Здесь диод 1 помещен в камеру

2,

перестраиваемую бесконтактным поршнем

3

длиной l/4.Поршень и согласующие винты

4

ограничивают объем резонансной камеры. Расстояние между согласующими винтами выбрано l

/8,

что обеспечивает согласование различных проводимостей диодов при их смене без изменения расстояния между диодом и винтами. Диод имеет индуктивную связь с камерой; петля связи образуется диодом и стержнем 5 выходного разъема 6.

Две схемы магнетрона с резонансными нагрузками.

1-магнетрон; 2, …

Резонаторный магнетрон считается эталоном компактности и высокой мощности микроволн для применения в промышленности, науке и обороне, включая противоэлектронику. В этом приложении магнетроны ограничены, потому что они являются узкополосными устройствами. Чтобы расширить диапазон частот, которые могут быть получены с использованием одного магнетрона, был разработан, изготовлен и экспериментально продемонстрирован новый многочастотный вариант рециркулирующего планарного магнетрона (RPM).Этот многочастотный RPM (MFRPM) был первым мощным магнетроном, способным генерировать несколько микроволновых частот одновременно, и продемонстрировал первый известный случай гармонической синхронизации частоты в магнетроне. Конструкция MFRPM состояла из двух решеток плоских резонаторов, соединенных цилиндрическими изгибами рециркуляции электронов. Две матрицы образовали осциллятор L-диапазона 1 ГГц (LBO) и осциллятор S-диапазона 2 ГГц (SBO). Эксперименты проводились с использованием аксиального магнитного поля 0,1–0,3 Тл, создаваемого импульсной парой катушек Гельмгольца, и импульса -300 кВ, 200–400 нс, 1–5 кА, приложенного к катоду управления режимом (MCC) с использованием MELBA- Генератор Маркса. Было протестировано шесть экспериментальных конфигураций с использованием трех анодов (изолированный LBO, изолированный SBO и MFRPM), двух микроволновых нагрузок (стандартная согласованная нагрузка и коническая нагрузка волновода, используемая для характеристики гармоник частоты LBO) и двух осевых магнитных поля (однородные и неоднородные). Используя эти конфигурации, детальная характеристика работы MFRPM определила 1) идентичность наблюдаемых электромагнитных режимов и степень конкуренции мод, 2) частоты, мощности и другие электрические характеристики, связанные с этими режимами и гармониками частоты LBO. , 3) магнитные поля, соответствующие оптимальной работе, 4) рабочее воздействие неоднородного осевого магнитного поля, и 5) происхождение и рабочие характеристики нового гармонического состояния с синхронизацией частоты, наблюдаемого в MFRPM.Однородное магнитное поле постоянно давало лучшие характеристики по сравнению с неоднородным магнитным полем. В состоянии гармонической синхронизации частоты при 0,17 Тл с однородным магнитным полем MFRPM LBO производил 32 ± 3 МВт на частоте 0,984 ± 0,001 ГГц, а SBO производил 13 ± 2 МВт на частоте 1,970 ± 0,002 ГГц. По сравнению с другими рабочими состояниями, заблокированное состояние было удивительно стабильным. При B = 0,16–0,17 Тл фазовый дрейф во время типичного синхронизированного выстрела составлял 8 ± 4 °, а длительность синхронизации составляла 14 ± 3 нс. Средняя разность фаз между генераторами составила 93 ± 17 °.Блокировка выглядела как Адлер, где LBO был ведущим генератором, а SBO был ведомым генератором. Изменения относительной разности фаз между осцилляторами коррелировали с изменениями магнитного поля, предполагая, что связь произошла через содержание второй гармоники электронного луча, модулированного LBO, при его распространении от LBO к SBO. Сравнение экспериментальных результатов для этого заблокированного состояния с новой теорией гармонической синхронизации не привело к окончательному результату. Используя однородное магнитное поле при 0.17 Тл мощность второй гармоники LBO составила 178 ± 60 кВт на частоте 1,962 ± 0,013 ГГц. Мощность четвертой гармоники LBO составила 5 ± 1 кВт на частоте 3,916 ± 0,018 ГГц. В общем, мощность гармоник LBO увеличивалась, когда режимы основной цепи работали с пониженной мощностью со значительной конкуренцией мод. Мощность гармоник также была на 150% выше при использовании неоднородного магнитного поля по сравнению с однородным магнитным полем.

Учебная серия по электричеству и электронике ВМС (NEETS), модуль 11

Модуль 11 — Принципы СВЧ

страниц
я,
1-1, 1-11,
1−21,
1−31,
1−41,
1−51,
1−61,
2−1,
2-11, 2-21,
2−31,
2−41,
2−51,
2−61,
3−1,
3-11,
АИ-1,
Индекс − 1,
Задание 1,
Переуступка 2

Выход
магнетрон уменьшается из-за бомбардировки нити электронами, которые движутся по петлям, как показано на рисунке 2-22,
взгляды (B) и (C).Это действие вызывает повышение температуры нити в условиях сильного магнитного поля.
поле и высокое напряжение на пластине, что иногда приводит к нестабильной работе лампы. Эффекты нити
бомбардировка может быть уменьшена за счет работы нити накала при пониженном напряжении. В некоторых случаях напряжение на пластине и
напряженность поля также снижается, чтобы предотвратить деструктивную бомбардировку нити накала.

ЭЛЕКТРОННО-РЕЗОНАНСНЫЙ
МАГНЕТРОН .- В магнетроне с электронным резонансом пластина сконструирована так, чтобы резонировать и функционировать как
резервуарный контур. Таким образом, магнетрон не имеет внешних настраиваемых цепей. Питание поступает прямо из трубки
через линии передачи, как показано на рисунке 2-25. Константы и условия эксплуатации трубки таковы
что пути электронов несколько отличаются от тех, что показаны на рис. 2-24. Вместо замкнутых спиралей или петель
Путь — это кривая, имеющая ряд острых точек, как показано на рисунке 2-26.Обычно этот тип магнетрона
имеет более двух сегментов в пластине. Например, на рисунке 2-26 показана восьмисегментная пластина.

Рисунок 2-25. — Пластинчатый бак цепи магнетрона.

Рисунок 2-26. — Электронный путь в электронно-резонансном магнетроне.

Магнетрон электронного резонанса является наиболее широко используемым для микроволновых частот, поскольку он имеет
достаточно высокий КПД и относительно высокая производительность.Средняя мощность магнетрона электронного резонанса составляет
ограничивается количеством катодной эмиссии, а пиковая мощность ограничивается максимальным номинальным напряжением лампы
компоненты. Три распространенных типа анодных блоков, используемых в электронно-резонансных магнетронах, показаны на рис. 2-27.

2-31

Рисунок 2-27. — Общие типы анодных блоков.

Анодный блок, показанный на рис. 2-27, вид (A), имеет цилиндрические полости и называется ОТВЕРСТИЕМ.
АНОД.Видимый анодный блок (B) называется ЛОПАТОЧНЫМ АНОДОМ, имеющим трапециевидные полости. Первые два анода
блоки работают таким образом, что чередующиеся сегменты должны быть соединены или скреплены так, чтобы каждый сегмент был
полярность противоположна сегменту с обеих сторон, как показано на рисунке 2-

28. Это также требует четного числа
полостей.

Рисунок 2-28. — Обвязка чередующихся сегментов.

Анодный блок, показанный на рисунке 2-27, вид (C), называется блоком RIsING-SUN.Альтернативный большой
и небольшие трапециевидные полости в этом блоке обеспечивают стабильную частоту между резонансными частотами
большие и маленькие полости.

На рисунке 2-29A показаны физические взаимоотношения резонансных полостей, содержащихся в
анод с отверстиями и пазами (рисунок 2-27, вид (A)). Это будет использоваться при анализе работы
электронно-резонансный магнетрон.

2-32

Рисунок 2-29A.- Эквивалентная схема щелевого резонатора.

Рисунок 2-29B. — Эквивалентная схема щелевого резонатора.

Электрический эквивалент. — Обратите внимание на рис. 2-29A, что полость состоит из цилиндрического отверстия в
медный анод и паз, который соединяет полость с пространством взаимодействия.

Эквивалентная электрическая схема отверстия и паза показана на рисунке 2-29B. Параллельные стороны
паз образуют пластины конденсатора, а стенки отверстия действуют как индуктор.Таким образом, отверстие и прорезь образуют
резонансный LC-контур с высокой добротностью. Как показано на рисунке 2-27, анод магнетрона имеет несколько таких полостей.

Анализ анодов в блоке с отверстиями и пазами показывает, что резервуары LC каждой полости расположены последовательно.
(при условии, что ремни сняты), как показано на рисунке 2-30. Однако анализ анодного блока после
чередующиеся сегменты были перевязаны, что показывает, что полости соединены параллельно из-за
обвязка.На рис. 2-31 показана эквивалентная схема перевязанного анода.

Рисунок 2-30. — Полости соединены последовательно.

2-33

Рисунок 2-31. — Полости параллельно из-за обвязки.

Электрическое поле. — Электрическое поле в генераторе электронного резонанса является продуктом переменного и постоянного тока.
поля. Поле постоянного тока распространяется радиально от соседних сегментов анода к катоду, как показано на рисунке 2-

32.Поля переменного тока, простирающиеся между соседними сегментами, показаны в момент максимальной величины, равной единице.
чередование ВЧ колебаний, возникающих в резонаторах.

Рисунок 2-32. — Вероятные пути движения электронов в электронно-резонансном магнетронном генераторе.

Сильное постоянное поле, идущее от анода к катоду, создается большим отрицательным импульсом постоянного напряжения.
к катоду.Это сильное постоянное поле заставляет электроны ускоряться к пластине после того, как они были выпущены.
от катода. Напомним, что электрон, движущийся против поля E, ускоряется полем и забирает энергию
с поля. Кроме того, электрон отдает энергию полю и замедляется, если движется в том же направлении.
как поле (от положительного к отрицательному). Колебания поддерживаются в магнетроне, потому что, когда электроны проходят через
В переменном и постоянном полях они получают энергию от постоянного поля и отдают энергию переменному полю.Электроны, которые
Отдача энергии в поле переменного тока называется РАБОЧИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ. Однако не все электроны отдают энергию
поле переменного тока. Некоторые электроны получают энергию от переменного поля, что является нежелательным действием.

На рисунке
2-32, рассмотрим электрон Q1, который показан входящим в поле вокруг входа в паз резонатора A. По часовой стрелке
вращение траектории электрона вызвано взаимодействием магнитного поля вокруг движущегося электрона с
постоянное магнитное поле.Предполагается, что постоянное магнитное поле входит в бумагу на рисунке 2-32.
(объяснено действие электрона, движущегося в H-поле

2-34

ранее). Обратите внимание, что электрон Q1 движется против переменного поля вокруг полости A. Электрон принимает
энергия от переменного поля, а затем ускоряется, поворачиваясь более резко, когда его скорость увеличивается. Таким образом, электрон Q1
поворачивается обратно к катоду. Когда он ударяется о катод, он отдает энергию, полученную от переменного поля.Эта бомбардировка также заставляет большее количество электронов покидать катод и ускоряться к аноду. Электрон Q2 — это
замедляется полем вокруг полости B и отдает часть своей энергии переменному полю. Поскольку электрон Q2 теряет
При увеличении скорости отклоняющая сила, создаваемая полем H, уменьшается. Затем путь электрона отклоняется влево в
направление анода, а не возвращение к катоду, как это сделал электрон Q1.

Катод к аноду
потенциал и напряженность магнитного поля определяют количество времени, в течение которого электрон Q2 перемещается из положения
перед полостью B в положение перед полостью C.Полость C равна примерно 1/2 цикла RF
колебания полостей. Когда электрон Q2 достигает положения перед резонатором C, переменное поле резонатора C
обратное от показанного. Таким образом, электрон Q2 отдает энергию переменному полю резонатора C и замедляется.
даже больше. Электрон Q2 фактически отдает энергию каждой полости при прохождении и в конечном итоге достигает анода, когда
его энергия расходуется. Таким образом, электрон Q2 помогает поддерживать колебания, потому что он забирает энергию из постоянного тока.
поле и передал его полю переменного тока.Электрон Q1, который забирал энергию из переменного поля вокруг полости A, мало что делал.
вред, потому что он сразу вернулся на катод.

Суммарное действие многих электронов, возвращающихся в
катод, в то время как другие движутся к аноду, образует узор, напоминающий движущиеся спицы известного колеса.
как КОЛЕСО ДЛЯ ЗАРЯДКИ, как показано на рисунке 2-33. Электроны в спицах колеса — рабочие
электроны.

Колесо объемного заряда вращается вокруг катода с угловой скоростью 2 полюса (анод
сегментов) за цикл переменного поля. Это фазовое соотношение позволяет концентрации электронов до
непрерывно подавать энергию для поддержания радиочастотных колебаний. Электроны вылетают из области катода между
спицы быстро возвращаются на катод.

На рисунке 2-33 чередующиеся сегменты между полостями
предполагается, что они находятся под одним и тем же потенциалом в один и тот же момент. Предполагается, что поле переменного тока существует у каждого человека.
полость. Этот режим работы называется PI Mode, поскольку соседние сегменты анода имеют разность фаз.
180 градусов, или один пи радиан.Возможны несколько других режимов колебаний, но магнетрон, работающий в
Пи-режим имеет большую мощность и выход и является наиболее часто используемым.

Рисунок 2-33. — Вращающееся колесо объемного заряда в восьмирезонаторном магнетроне.

2-35

Используется четное количество полостей, обычно шесть или восемь, и к ним прикрепляются чередующиеся сегменты.
убедитесь, что они имеют одинаковую полярность.Частота пи-моды отделена от частоты
остальные режимы обвязкой.

В режиме «пи» все части каждого обвязочного кольца имеют одинаковый потенциал; но
два кольца имеют попеременно противоположные потенциалы, как показано на рисунке 2-34. Паразитная емкость между кольцами
добавляет в резонансный режим емкостную нагрузку. Однако для других режимов существует разность фаз между
последовательные сегменты, соединенные с данным обвязочным кольцом, которое заставляет ток течь в ремнях.

Рисунок 2-34. — Чередующиеся отрезки соединяются обвязочными кольцами.

Ремни содержат индуктивность, а индуктивный шунт размещен параллельно эквивалентной схеме.
Это снижает индуктивность и увеличивает частоту в режимах, отличных от пи-режима.

Q-38. Что
основное различие в конструкции между основным магнетроном и магнетроном с отрицательным сопротивлением?

Q-39. Что запускает колебания в магнетроне с отрицательным сопротивлением?

Q-40. Почему
магнетрон с отрицательным сопротивлением часто работает с пониженным напряжением накала? Q-41. Какой вид электронного резонанса
анодный блок не требует обвязки?

Q-42. Без обвязки резонансные полости
каким образом соединены анод с отверстиями и пазами?

Q-43. Как называются электроны, которые сдаются
энергия переменного поля в магнетроне?

Методы соединения .- Энергия (RF) может быть снята с магнетрона с помощью муфты.
Петля. На частотах ниже 10000 мегагерц петля связи создается путем изгиба внутреннего проводника
коаксиальный кабель в петлю. Затем петля припаивается к концу внешнего проводника так, чтобы он выступал в
полость, как показано на рисунке 2-35A. Расположение петли в конце полости, как показано на рисунке 2-35B, вызывает
магнетрон, чтобы получить достаточный звукосниматель на более высоких частотах.

2-36

Рисунок 2-35A. — Методы магнетронной связи.

Рисунок 2-35B. — Методы магнетронной связи.

МЕТОД КОНТУРА SEGMENT-FED показан на рисунке 2-35C. Петля перехватывает магнитные линии, проходящие
между полостями. МЕТОД петли STRAP-FED (рисунок 2-35D) улавливает энергию между ремнем и
сегмент. Со стороны выхода коаксиальная линия питает другую коаксиальную линию напрямую или питает волновод через
дроссельная заслонка.Вакуумное уплотнение на внутреннем проводе помогает поддерживать линию. ОТВЕРСТИЕ, ИЛИ ПРОЕЗД, Муфта
показано на рисунке 2-35E. Энергия подводится непосредственно к волноводу через диафрагму.

Рисунок 2-35C. — Методы магнетронной связи.

2-37

Рисунок 2-35D. — Методы магнетронной связи.

Рисунок 2-35E. — Методы магнетронной связи.

MAGNETRON TUNING . — настраиваемый магнетрон позволяет системе работать с точной
частота в любом месте в пределах диапазона частот, что определяется характеристиками магнетрона. Резонансный
Частота магнетрона может быть изменена путем изменения индуктивности или емкости резонансных полостей. В
На рис. 2-36 индуктивный настраивающий элемент вставлен в отверстие полостей с отверстиями и пазами. Это
изменяет индуктивность резонансных контуров, изменяя отношение площади поверхности к объему полости в
сильноточный регион.Тип тюнера, показанный на рисунке 2-36, называется ЗВЕЗДОЧНЫЙ ТЮНЕР или ШИПНАЯ КОРОНА.
ТЮНЕР. Все его элементы настройки прикреплены к раме, которая позиционируется с помощью гибкого сильфона.
Установка настраивающих элементов в каждое отверстие анода снижает индуктивность резонатора и, следовательно,
увеличивает резонансную частоту. Одним из ограничений индуктивной настройки является то, что она снижает ненагруженную добротность
полости и, следовательно, снижает эффективность трубки.

2-38

Рисунок 2-36. — Индуктивная настройка магнетрона.

Вставка элемента (кольца) в паз полости, как показано на рисунке 2-37, увеличивает паз.
емкость и уменьшает резонансную частоту. Поскольку зазор уменьшается по ширине, напряжение пробоя составляет
понижен. Следовательно, емкостно настроенные магнетроны должны работать при низких напряжениях и малой мощности. В
Тип емкостного тюнера, показанный на рис. 2-37, называется ТЮНЕРОМ COOKIE-CUTTER.Состоит из металлического кольца.
вставлен между двумя кольцами магнетрона с двойной перевязкой, который служит для увеличения емкости перемычки.
Из-за механических проблем и проблем с напряжением, связанных с тюнером для формочки для печенья, он более
подходит для использования на более длинных волнах. Описанные тюнеры емкости и индуктивности симметричны; тот
То есть на каждую полость воздействуют одинаково, и сохраняется режим пи.

Рисунок 2-37. — Настройка емкостного магнетрона.

2-39

10-процентный частотный диапазон может быть получен любым из двух методов настройки, описанных выше.
Кроме того, два метода настройки могут использоваться в комбинации для покрытия большего диапазона настройки, чем это возможно с
либо один в одиночку.

ДУГА В МАГНИТРОНАХ . — Во время первоначальной эксплуатации мощный магнетрон
дуги от катода к пластине и должны быть должным образом ПРОКОЛЕНА или ПРОКОЛЕНА.На самом деле искрение в магнетронах очень
общий. Это происходит при использовании новой лампы или после длительного простоя.

Одна из основных причин возникновения дуги.
— выделение газа из трубных элементов в периоды простоя. Искрение также может быть вызвано наличием острых
поверхности внутри трубки, переключением режима и потреблением чрезмерного тока. Пока катод выдерживает
значительная дуга в течение коротких периодов времени, продолжающаяся дуга сокращает срок службы магнетрона и может
уничтожить его полностью. Поэтому каждый раз, когда возникает чрезмерная дуга, трубку необходимо снова запекать до тех пор, пока
искрение прекращается, и трубка стабилизируется.

Процедура запекания относительно проста. Напряжение магнетрона повышается с низкого значения до образования дуги.
происходит несколько раз в секунду. Напряжение остается на этом значении до тех пор, пока дуга не исчезнет. Затем напряжение повышается
далее до тех пор, пока дуга снова не возникнет, и остается на этом значении до тех пор, пока дуга снова не прекратится.Всякий раз, когда дуга
становится очень сильным и напоминает непрерывную дугу, приложенное напряжение чрезмерно и должно быть уменьшено до
позвольте магнетрону восстановиться. Когда достигается нормальное номинальное напряжение и магнетрон остается стабильным на
номинальный ток, приработка завершена. Хорошая практика технического обслуживания состоит в том, чтобы запекать магнетроны, оставленные в режиме ожидания в
оборудование или те, которые использовались в качестве запасных, когда накопились длительные периоды простоя.

Предыдущее
информация носит общий характер.Рекомендуемое время и процедуры в технических руководствах для оборудования
следует соблюдать при обжиге магнетрона определенного типа.

Усилитель с перекрещенными полями
(Amplitron)

Усилитель CROSSED-FIELD (CFA), широко известный как AMPLITRON, а иногда и
называемый PLATINOTRON, представляет собой широкополосный микроволновый усилитель, который также может использоваться в качестве генератора. Cfa
аналогичен по работе магнетрону и способен обеспечивать относительно большие количества энергии с высокой
эффективность.Полоса пропускания CFA в любой момент составляет примерно плюс-минус 5 процентов от номинальной.
центральная частота. Любые входящие сигналы в пределах этой полосы пропускания усиливаются. Пиковая мощность в несколько мегаватт
и средние уровни мощности в несколько десятков киловатт, с рейтингом эффективности, превышающим 70 процентов,
возможно с усилителями со скрещенными полями.

Из-за желаемых характеристик широкой полосы пропускания, высокой
Эффективность и способность обрабатывать большие количества энергии, CFA используется во многих приложениях в микроволновой печи.
электронные системы.Эта высокая эффективность сделала CFA полезным для приложений космической телеметрии, а высокая
мощность и стабильность сделали его полезным в высокоэнергетических линейных атомных ускорителях. При использовании в качестве промежуточного звена
или заключительный этап в мощных радиолокационных системах, используются все преимущества CFA.

Поскольку CFA работает так же, как магнетрон, подробная теория не представлена ​​в
этот модуль. Подробная информация о работе ЦФА доступна в НАВШИПС 0967-443-2230, Обращение, Установка.
и работа усилителей с пересеченными полями.Как упоминалось ранее, усилители со скрещенными полями обычно называют
Амплитроны. Однако следует отметить, что Amplitron является товарным знаком компании Raytheon Manufacturing Company для
Линия усилителей со скрещенными полями Raytheon. Усилитель со скрещенными полями показан на рис. 2-38.

2-40

–	Материя, Энергия, и постоянного тока
–	Переменный ток и трансформаторы
–	Защита, управление и измерение цепей
–	Электропроводники, методы электромонтажа, и схематическое чтение
–	Генераторы и двигатели
–	Электронные излучатели, трубки и источники питания
–	Твердотельные устройства и блоки питания
–	Усилители
–	Волноводные и волновые схемы
–	Распространение волн, линии передачи и Антенны
–	Принципы СВЧ
–	Принципы модуляции
–	Введение в системы счисления и логические схемы
–	— Введение в микроэлектронику
–	Принципы синхронизаторов, сервоприводов и гироскопов
–	Знакомство с испытательным оборудованием
–	Принципы радиочастотной связи
–	Принципы работы радаров
–	Справочник техника, Главный глоссарий
–	Методы и практика испытаний
–	Введение в цифровые компьютеры
–	Магнитная запись
–	Введение в волоконную оптику
Примечание: Обучение электричеству и электронике военно-морского флота Содержимое серии (NEETS) — U. С. Собственность ВМФ в свободном доступе.

Магнетроны — обзор | Темы ScienceDirect

4 Правило Слейтера – Полинга

В общем, простые правила счета электронов помогают понять электронные и магнитные свойства соединений Полу-Гейслера и Гейслера (Graf et al., 2011a). Важным правилом счета электронов для магнитных соединений Гейслера является так называемое правило Слейтера – Полинга.

Слейтер и Полинг обнаружили, что магнитный момент м 3d-элементов и их бинарных сплавов можно оценить на основе среднего числа валентных электронов ( n _V ) на атом (Pauling, 1938; Slater, 1936а).Материалы разделены на две области в зависимости от m ( n _V ): первая область кривой Слейтера – Полинга — это область низких концентраций валентных электронов ( n _V ≤ 8) и локализованный магнетизм. Здесь встречаются в основном структуры, родственные bcc и bcc . Вторая область — это область высоких концентраций валентных электронов ( n _V ≥ 8) и странствующего магнетизма. В этой области встречаются системы с закрытой упакованной структурой ( fcc и hcp ).Железо находится на границе между локализованным и странствующим магнетизмом. На рис. 1.13b показана кривая Слейтера – Полинга для переходных металлов и некоторых сплавов. Соединения Гейслера расположены в локализованной части этой кривой. Поэтому мы сосредотачиваемся на этой области кривой. Магнитный момент, кратный магнетрону Бора μ _B , задается формулой

Рис. 1.13. (a) Магнитный момент на формульную единицу соединений Гейслера на основе Co ₂ пропорционален количеству валентных электронов и следует кривой Слейтера – Полинга, которая проиллюстрирована на (b).Значения для 3d переходных металлов и их сплавов приведены для сравнения. ( Примечание : A _{1 — x} B _{x сплавы} обозначены в легенде как AB для краткости. )

Перепечатано из Graf et al. (2011a) с любезного разрешения Elsevier.

(1) m = nV − 2n ↓

, где 2 n _↓ обозначает количество электронов в неосновных состояниях. Минимум плотности неосновных состояний вынуждает число электронов в неосновной зоне d составлять приблизительно три.Пренебрегая электронами s и p , магнитный момент в локализованной области кривой Слейтера – Полинга можно рассчитать согласно формуле

(2) m≈nV − 6

, что означает, что магнитный момент на атом равен просто среднее количество валентных электронов минус шесть. По определению, HMF демонстрируют запрещенную зону в неосновной плотности состояний на уровне Ферми. Из-за этой запрещенной зоны количество занятых неосновных состояний должно быть целым числом, что точно выполняется для случая m = n _V -6 (Kübler, 2000; Wurmehl et al., 2005). Это правило может приводить к нецелым значениям, если средняя концентрация валентных электронов не является целым числом. Таким образом, часто удобнее использовать число валентных электронов на формульную единицу N _V .

Для соединений Полу-Гейслера с тремя атомами на формульную единицу правило Слейтера – Полинга определяется выражением

(3) mXYZ = NV − 18

В случае материалов X ₂ YZ Heusler имеется четыре атома на элементарную ячейку, что приводит к формуле

(4) mX2YZ = NV − 24

Магнитный момент как функция количества валентных электронов на формульную единицу показан на рис.1.13.

Мы хотели бы подчеркнуть, что, за очень немногими исключениями, магнитные соединения полугейслера стабильны только для числа валентных электронов 22 с Mn или RE-элементом в октаэдрическом узле решетки, что можно объяснить высокой тенденцией к локализованный магнитный момент Mn, как описано Kübler et al. (1983). Это правило Кюблера играет важную роль во всех соединениях Гейслера. Степень окисления локализованных атомов Mn может быть формально описана как Mn ^{3 +} с конфигурацией d ⁴ , дающей магнитный момент приблизительно 4 мкм _B . Локализованный магнитный момент Mn также представлен в рассчитанном распределении спиновой плотности MnNiSb, показанном на рис. 1.14.

Рисунок 1.14. Распределение зарядовой и спиновой плотности MnNiSb.

Перепечатано из Graf et al. (2011a) с любезного разрешения Elsevier.

Отклонение от 22 валентных электронов в основном приводит к образованию другой кристаллической структуры, например, MnCrSb, FeMnSb и Mn ₂ Sb не кристаллизуются в структуре Half-Heusler (de Groot, 1991; de Groot et al., 1986). Подробный список магнитных моментов, расположенных в позиции Mn – Y, приведен в Kübler et al. (1983).

Магнитный момент полуметаллических материалов Гейслера линейно масштабируется с числом валентных электронов согласно m = N _V -24, как показано на рис. 1.13. Известны лишь некоторые из них с N _V ≤ 24, например, Mn ₂ VAl, который представляет собой HMF с 22 валентными электронами (Weht and Pickett, 1999). Замена Co на половину атомов Mn в позиции X приводит к немагнитному (Co _0.5 Mn _0,5 ) ² VAl с 24 электронами (Galanakis and Dederichs, 2005). Этот пример показывает, что правило Слейтера – Полинга также справедливо для четвертичных соединений Гейслера (Alijani et al., 2011a, b, 2012).

Кроме того, T _C соединений Гейслера на основе Co ₂ демонстрируют линейную зависимость от магнитного момента (Wurmehl et al., 2006a). Из-за поведения магнитных моментов Слейтера – Полинга, T _C следует линейной тенденции, если рассматривать ее как функцию валентных электронов, как показано на рис.1.15. Линейный тренд прерывается для материалов с N _V = 27. Теоретические исследования показали, что магнитные моменты на узлах Co и на Y увеличиваются одновременно с N _V , что приводит к нелинейности с м . Это компенсируется изменениями обменного среднего Гейзенберга, приводящими к линейной зависимости от N _V (Fecher et al. , 2006; Kübler et al., 2007). Следует отметить, что намагниченность как функция температуры падает очень медленно.Для Co ₂ MnSi наблюдается уменьшение менее чем на 1% при изменении температуры от 5 K до RT. На сегодняшний день Co ₂ FeSi является соединением Гейслера с наивысшим магнитным моментом 5,97 мкм _B при 5 K и T _C 1100 K, наивысшим T _C для HMF (Wurmehl et al., 2006a, c).

Рисунок 1.15. (а) Температурно-зависимые измерения намагниченности выбранных соединений Гейслера на основе Co ₂ (Balke et al., 2010) и (b) T _C соединений Гейслера на основе Co ₂ линейно зависят от числа валентных электронов.

Перепечатано из Graf et al. (2011a) с любезного разрешения Elsevier.

магнетронов — e2v

Типичные характеристики импеданса магнетрона

Некоторые из следующих параметров часто встречаются в спецификациях магнетронов.

Температурный дрейф

Частота магнетрона в целом пропорциональна размеру резонансной полости магнетрона.Когда количество мощности, подаваемой в магнетрон, изменяется либо путем включения, либо путем изменения рабочих условий, количество мощности, рассеиваемой на аноде (и катоде), изменяется с последующими изменениями температуры. Поскольку это изменяет физический размер полости, частота магнетрона изменяется. Большая часть этого дрейфа происходит в течение нескольких секунд после изменения; через 10–30 минут (в зависимости от типа) частота стабилизируется.

Любое изменение условий окружающей среды, влияющее на температуру анода, также вызывает изменение частоты.Это может быть изменение температуры или давления воздуха, изменение температуры монтажной пластины или расхода или температуры охлаждающей жидкости. Это изменение обычно указывается для каждого магнетрона в кГц / ° C. Для магнетронов это значение почти всегда отрицательно, то есть частота падает с ростом температуры.

Частота толкающая

На частоту колебаний влияет плотность электронов в пространстве взаимодействия магнетрона — это функция анодного тока.Если вершина импульса тока неровная, это приведет к модуляции частоты, а также уровня мощности.

Типичная кривая изменения частоты для морских магнетронов 3-го поколения мощностью 10 кВт (MG 5241).

Таблицы данных для некоторых типов включают максимальные пределы изменения частоты, выраженные в МГц / А (мегагерцы на ампер) в указанном диапазоне тока. Если не указано иное, сдвиг частоты измеряется с магнетроном, питающим согласованную нагрузку, и может быть больше в несовпадающих условиях.

Частота вытягивания

Это мера изменения частоты с изменением фазы рассогласования нагрузки, и очевидно, что желательно минимизировать эту характеристику в большинстве магнетронов. Коэффициент затяжки обычно определяется как максимальное изменение частоты, когда фиксированное внешнее рассогласование (обычно КСВН 1,5: 1, но иногда КСВН 1,3: 1) перемещается на половину длины волны в выходном волноводе.

Коэффициент натяжения — это характеристика, определяемая степенью связи между анодной и выходной системами.Хотя высокая степень связи обеспечивает хорошую выходную мощность и эффективность, она дает более низкие характеристики джиттера и тяги. Следовательно, разработчик магнетрона должен выбрать лучший компромисс.

Так как кривая V / I почти горизонтальна, любое изменение рабочих условий мало повлияет на анодное напряжение, но сильно повлияет на ток. На ненормальную работу магнетрона часто указывает неправильный анодный ток, даже если анодное напряжение не изменилось заметно.Также указаны эффекты изменения нагрузки и магнитного поля.

Джиттер времени

Временное дрожание (или начальное дрожание) — это случайное изменение временной задержки между передним фронтом приложенного импульса напряжения и передним фронтом обнаруженного выходного РЧ-импульса. В значительной степени временное дрожание возникает как функция интерфейса между конкретным модулятором и магнетроном. Спецификации магнетрона относятся к желаемому диапазону «скорости нарастания напряжения» (RRV) для стабильной работы.RRV определяется как самый крутой наклон переднего фронта приложенного импульса высокого напряжения, измеряемый амплитудой более 80%, и обычно выражается в кВ / мкс (киловольт в микросекунду). Если значение RRV слишком велико, время выдержки при нормальном пусковом потенциале магнетрона недостаточно, чтобы обеспечить плавный переход в колебание, следовательно, возникают случайные задержки в установлении стабильных колебаний. Обычно это выражается как изменение от импульса к импульсу в среднеквадратичных наносекундах.

В крайних случаях, когда задержка пуска дает выходной РЧ импульс, имеющий менее 70% содержания энергии нормального импульса, импульс считается «пропущенным».В дополнение к указанию максимально допустимого временного дрожания, спецификации магнетронов содержат параметр пропущенных импульсов, выраженный как максимальный процент от общего количества импульсов высокого напряжения, приложенных в течение трехминутного периода тестирования.

Джиттер частоты

Если бы можно было устранить колебания частоты из-за толкания, вытягивания, теплового дрейфа, температурного коэффициента, ударов, вибрации и всех других внешних эффектов, то для каждого импульса, передаваемого магнетроном, все равно была бы небольшая частотная модуляция (FM), и от пульса к пульсу.Этот остаточный FM носит случайный характер и является результатом ряда незначительных неконтролируемых факторов.

В большинстве системных приложений случайная FM достаточно мала, чтобы быть неважной. Однако в радарах MTI это параметр, который необходимо учитывать при вычислении максимально достижимого коэффициента улучшения MTI для системы.

Характеристики магнетрона

— e2v

Типичные характеристики импеданса магнетрона

Некоторые из следующих параметров часто встречаются в спецификациях магнетронов.

Температурный дрейф

Частота магнетрона в целом пропорциональна размеру резонансной полости магнетрона. Когда количество мощности, подаваемой в магнетрон, изменяется либо путем включения, либо путем изменения рабочих условий, количество мощности, рассеиваемой на аноде (и катоде), изменяется с последующими изменениями температуры. Поскольку это изменяет физический размер полости, частота магнетрона изменяется. Большая часть этого дрейфа происходит в течение нескольких секунд после изменения; через 10–30 минут (в зависимости от типа) частота стабилизируется.

Любое изменение условий окружающей среды, влияющее на температуру анода, также вызывает изменение частоты. Это может быть изменение температуры или давления воздуха, изменение температуры монтажной пластины или расхода или температуры охлаждающей жидкости. Это изменение обычно указывается для каждого магнетрона в кГц / ° C. Для магнетронов это значение почти всегда отрицательно, то есть частота падает с ростом температуры.

Частота толкающая

На частоту колебаний влияет плотность электронов в пространстве взаимодействия магнетрона — это функция анодного тока. Если вершина импульса тока неровная, это приведет к модуляции частоты, а также уровня мощности.

Типичная кривая изменения частоты для морских магнетронов 3-го поколения мощностью 10 кВт (MG 5241).

Таблицы данных для некоторых типов включают максимальные пределы изменения частоты, выраженные в МГц / А (мегагерцы на ампер) в указанном диапазоне тока. Если не указано иное, сдвиг частоты измеряется с магнетроном, питающим согласованную нагрузку, и может быть больше в несовпадающих условиях.

Частота вытягивания

Это мера изменения частоты с изменением фазы рассогласования нагрузки, и очевидно, что желательно минимизировать эту характеристику в большинстве магнетронов. Коэффициент затяжки обычно определяется как максимальное изменение частоты, когда фиксированное внешнее рассогласование (обычно КСВН 1,5: 1, но иногда КСВН 1,3: 1) перемещается на половину длины волны в выходном волноводе.

Коэффициент натяжения — это характеристика, определяемая степенью связи между анодной и выходной системами. Хотя высокая степень связи обеспечивает хорошую выходную мощность и эффективность, она дает более низкие характеристики джиттера и тяги. Следовательно, разработчик магнетрона должен выбрать лучший компромисс.

Так как кривая V / I почти горизонтальна, любое изменение рабочих условий мало повлияет на анодное напряжение, но сильно повлияет на ток. На ненормальную работу магнетрона часто указывает неправильный анодный ток, даже если анодное напряжение не изменилось заметно.Также указаны эффекты изменения нагрузки и магнитного поля.

Джиттер времени

Временное дрожание (или начальное дрожание) — это случайное изменение временной задержки между передним фронтом приложенного импульса напряжения и передним фронтом обнаруженного выходного РЧ-импульса. В значительной степени временное дрожание возникает как функция интерфейса между конкретным модулятором и магнетроном. Спецификации магнетрона относятся к желаемому диапазону «скорости нарастания напряжения» (RRV) для стабильной работы. RRV определяется как самый крутой наклон переднего фронта приложенного импульса высокого напряжения, измеряемый амплитудой более 80%, и обычно выражается в кВ / мкс (киловольт в микросекунду). Если значение RRV слишком велико, время выдержки при нормальном пусковом потенциале магнетрона недостаточно, чтобы обеспечить плавный переход в колебание, следовательно, возникают случайные задержки в установлении стабильных колебаний. Обычно это выражается как изменение от импульса к импульсу в среднеквадратичных наносекундах.

В крайних случаях, когда задержка пуска дает выходной РЧ импульс, имеющий менее 70% содержания энергии нормального импульса, импульс считается «пропущенным».В дополнение к указанию максимально допустимого временного дрожания, спецификации магнетронов содержат параметр пропущенных импульсов, выраженный как максимальный процент от общего количества импульсов высокого напряжения, приложенных в течение трехминутного периода тестирования.

Джиттер частоты

Если бы можно было устранить колебания частоты из-за толкания, вытягивания, теплового дрейфа, температурного коэффициента, ударов, вибрации и всех других внешних эффектов, то для каждого импульса, передаваемого магнетроном, все равно была бы небольшая частотная модуляция (FM), и от пульса к пульсу. Этот остаточный FM носит случайный характер и является результатом ряда незначительных неконтролируемых факторов.

В большинстве системных приложений случайная FM достаточно мала, чтобы быть неважной. Однако в радарах MTI это параметр, который необходимо учитывать при вычислении максимально достижимого коэффициента улучшения MTI для системы.

Вероятные пути электронов в электронно-резонансном магнетронном генераторе

Электрический эквивалент.- Обратите внимание на рис. 2-29, вид (A), что полость состоит из
цилиндрического отверстия в медном аноде и паза, соединяющего полость с
пространство взаимодействия.

Эквивалентная электрическая схема отверстия и паза показана на виде (B). В
параллельные стороны прорези образуют пластины конденсатора, в то время как стенки отверстия действуют.
как индуктор. Таким образом, отверстие и паз образуют резонансный LC-контур с высокой добротностью. Как показано в
На рис. 2-27 анод магнетрона имеет несколько таких полостей.

Анализ анодов в блоке с отверстиями и пазами показывает, что резервуары LC каждого
полости расположены последовательно (при условии, что ремни сняты), как показано на рисунке 2-30.
Тем не менее, анализ анодного блока после перевязки альтернативных сегментов
показывает, что полости соединены параллельно из-за обвязки. Рисунок 2-31
показана эквивалентная схема перевязанного анода.

Рисунок 2-30. — Полости соединены последовательно.

Рисунок 2-31. — Полости параллельно из-за обвязки.

Электрическое поле. — Электрическое поле в электронно-резонансном осцилляторе представляет собой
произведение полей переменного и постоянного тока. Поле постоянного тока распространяется радиально от соседних сегментов анода до
катод, как показано на рисунке 2-32. Поля переменного тока, простирающиеся между соседними сегментами,
показаны в момент максимальной величины одного чередования ВЧ колебаний
происходящие в полостях.

Рисунок 2-32. — Вероятные пути движения электронов в электронно-резонансном магнетронном генераторе.

Сильное постоянное поле, идущее от анода к катоду, создается большим отрицательным постоянным током.
на катод прикладывается импульс напряжения. Это сильное постоянное поле заставляет электроны ускоряться.
к пластине после того, как они были выпущены с катода. Напомним, что электрон
движение против поля E ускоряется полем и забирает энергию из поля.Кроме того, электрон отдает энергию полю и замедляется, если он движется в том же самом поле.
направление как поле (от положительного к отрицательному). Колебания поддерживаются в магнетроне.
потому что, когда электроны проходят через переменное и постоянное поля, они получают энергию от постоянного поля.
и отдать энергию переменному полю. Электроны, которые отдают энергию переменному полю:
называется РАБОЧИЕ ЭЛЕКТРОНЫ. Однако не все электроны отдают энергию переменному току.
поле. Некоторые электроны получают энергию от переменного поля, что является нежелательным действием.

На рисунке 2-32 рассмотрим электрон Q1, который показан входящим в поле вокруг щели.
вход в полость A. Вращение пути электрона по часовой стрелке вызвано
взаимодействие магнитного поля вокруг движущегося электрона с постоянным магнитом
поле. Предполагается, что постоянное магнитное поле входит в бумагу на рисунке 2-32.
(действие электрона, движущегося в H-поле, было объяснено ранее). Заметь
Электрон Q1 движется против переменного поля вокруг резонатора A.Электрон забирает энергию из
поле переменного тока, а затем ускоряется, поворачиваясь более резко, когда его скорость увеличивается. Таким образом,
электрон Q1 возвращается к катоду. Когда он ударяется о катод, он сдает
энергия, полученная от переменного поля. Эта бомбардировка также заставляет больше электронов покинуть
катод и ускоряются к аноду. Электрон Q2 замедляется полем
вокруг полости B и отдает часть своей энергии переменному полю. Поскольку электрон Q2 теряет
При увеличении скорости отклоняющая сила, создаваемая полем H, уменьшается.Тогда путь электрона
отклоняется влево в направлении анода, а не возвращается к катоду
как и электрон Q1.

Катодно-анодный потенциал и напряженность магнитного поля определяют количество
время, за которое электрон Q2 перемещается из положения перед резонатором B в положение перед ним
полости C. Полость C равна примерно 1/2 цикла высокочастотных колебаний
полости. Когда электрон Q2 достигает положения перед резонатором C, переменное поле резонатора
C перевернут по сравнению с показанным.Следовательно, электрон Q2 отдает энергию переменному полю
полость C и еще больше тормозит. Электрон Q2 фактически отдает энергию каждой полости в виде
он проходит и в конечном итоге достигает анода, когда расходуется его энергия. Таким образом, электрон Q2
помог поддерживать колебания, потому что он забирал энергию из постоянного поля и давал ей
в поле переменного тока. Электрон Q1, который забирал энергию из переменного поля вокруг полости A, делал
мало вреда, потому что он сразу вернулся на катод.

Суммарное действие многих электронов, возвращающихся на катод, в то время как другие
движение к аноду образует узор, напоминающий движущиеся спицы колеса, известного как
КОЛЕСО КОСМИЧЕСКОГО ЗАРЯДА, как показано на рисунке 2-33. Электроны в спицах колеса
рабочие электроны.

Колесо объемного заряда вращается вокруг катода с двухполюсной угловой скоростью.
(сегментов анода) за цикл переменного поля.Это фазовое соотношение позволяет
концентрация электронов для непрерывной доставки энергии для поддержания радиочастотных колебаний.
Электроны, вылетевшие из области катода между спицами, быстро возвращаются в
катод.

На рисунке 2-33 предполагается, что чередующиеся сегменты между полостями находятся на одном и том же расстоянии.
потенциал в тот же момент. Предполагается, что поле переменного тока существует у каждого человека.
полость. Этот режим работы называется РЕЖИМ ПИ, так как соседние сегменты анода
иметь разность фаз 180 градусов или один пи радиан. Несколько других режимов
колебания возможны, но магнетрон, работающий в режиме пи, имеет большую мощность и
вывод и является наиболее часто используемым.

Рисунок 2-33. — Вращающееся колесо объемного заряда в восьмирезонаторном магнетроне.

Используется четное количество полостей, обычно шесть или восемь, и чередуются сегменты.
привязаны, чтобы убедиться, что они имеют одинаковую полярность. Частота режима пи равна
отделены от частот других мод перевязкой.

Для режима «пи» все части каждого обвязочного кольца находятся под одинаковым потенциалом; но
два кольца имеют попеременно противоположные потенциалы, как показано на рисунке 2-34. Паразитная емкость
между кольцами добавляет к резонансному режиму емкостную нагрузку. Однако для других режимов
существует разность фаз между последовательными сегментами, подключенными к данной обвязке
кольцо, которое заставляет ток течь в ремнях.

Рисунок 2-34. — Чередующиеся отрезки соединяются обвязочными кольцами.

Ремни содержат индуктивность, и индуктивный шунт размещен параллельно с
эквивалентная схема. Это снижает индуктивность и увеличивает частоту в других режимах.
чем режим пи.

Q.38 В чем заключается основная разница в конструкции между основным магнетроном и
магнетрон с отрицательным сопротивлением?
Вопрос 39. Что вызывает колебания в магнетроне с отрицательным сопротивлением?
В.40 Почему магнетрон с отрицательным сопротивлением часто работает с уменьшенной нитью накала?
Напряжение?
В.41 Какой тип анодного блока электронного резонанса не требует обвязки?
Q.42 Без обвязки резонансные полости анода с отверстиями и пазами соединяются в
каким образом?
Q.43 Как называются электроны, которые отдают энергию переменному полю в магнетроне?

Источник ионов металлов на гибридном электронно-циклотронном резонансе со встроенным распылительным магнетроном для получения интенсивного пучка ионов Al⁺

Был разработан прототип источника ионов металлов: комбинация технологии магнетронного распыления с 2. Технология источника ионов с электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР) 45 ГГц — так называемый магнетронный источник ионов ЭЦР (MECRIS). Интегрированный кольцеобразный магнетрон для распыления с мишенью из алюминия действует как мощный источник атома металла, чтобы произвести интенсивный ток однозарядных ионов металла. Предварительные эксперименты показывают, что ионный ток Al (+) с плотностью 167 мкА / см (2) извлекается из источника при ускоряющем напряжении 27 кВ. Измерения с двойным ленгмюровским зондом с пространственным разрешением и оптическая эмиссионная спектроскопия использовались для изучения плазменных состояний источника ионов: распылительного магнетрона, ЭЦР и плазмы MECRIS.Плотность и температура электронов, а также плотность атомов Al были определены как функция мощности микроволн и распылительного магнетрона. Эффект ЭЦР-нагрева сильно выражен в центре источника. Там концентрация электронов увеличивается на один порядок с 6 × 10 (9) см (-3) до 6 × 10 (10) см (-3), а температура электронов увеличивается примерно с 5 до 12 эВ, когда плазма ЭЦР воспламеняется до магнетронной плазмы. При работе магнетрона на постоянной мощности было замечено, что его разрядный ток увеличился с 1.От 8 А до 4,8 А, когда на ЭЦР-разряд накладывалась микроволновая мощность 2 кВт. В то же время напряжение разряда снизилось примерно с 560 В до 210 В, что явно указывает на более высокую плотность плазмы в режиме MECRIS. В оптическом эмиссионном спектре плазмы MECRIS преобладают линии возбужденных атомов Al, а значительный вклад вносят линии однократно ионизованного Al. Плазменная эмиссионная фотография с помощью CCD-камеры использовалась для подтверждения зондовых измерений и для идентификации отдельных зон эмиссии плазмы, возникающих в результате ЭЦР и магнетронного разряда.

.

alexxlab

Посмотреть все записи автора alexxlab →