Замедляющие системы. Генераторы с электрическим управлением электронным потоком. Методы и устройства стабилизации частоты и фазы колебании в задающих генераторах простых и сложных сигналов, страница 23

Следует, однако, вернуться к судьбе электронов, попавших в тормозящую фазу поля Ez. Эти электроны, отдал часть кинети­ческой энергии, усиливают СВЧ колебания. В клистронах, ЛБВ, ЛОВ процесс усиления сопровождался потерей скорости электро­нов и нарушением синхронизма. В приборах же со скрещенными полями при потере электроном переносной скорости нарушается равновесие между электрической силой F =еЕ и магнитной си­лой . Преобладающей оказывается электрическая сила и электрон с ускорением начинает двигаться к аноду. При этом его скорость начинает возрастать до тех пор, пока не восстано­вится равновесие между, что возможно лишь при дости­жении им первоначальной дрейфовой скорости. Такое чудесное восстановление дрейфовой скорости происходит ценой приближе­ния электрона к аноду, т. е. путем потери потенциальной энер­гии электрона (рис. 4.20 — электрон под номером 2). Поэтому в литературе встречается утверждение, что в энергию СВЧ поля в приборах М-тина превращается потенциальная энергия электронов. В конечном счете это именно так, но следует иметь в виду, что обязательным промежуточным звеном в этом превращении является кинетическая энергия электронов.

На рис. 4.20 показана идеализированная траектория электро­нов от катода к аноду. В реальных условиях она оказывается сложней. Помимо движения по циклоиде, электрон описывает целый ряд мелкомасштабных движений. Но, главное, чтобы по­пасть на анод, электрон должен отдать СВЧ полю значительную часть своей потенциальной энергии. Если условно принять нача­ло последнего витка в точке S то доля энергии, отданная на усиление ноля, определяется как . В этой точке элек­трон еще обладает энергией , которая преобразуется в кине­тическую энергию в соответствии с равенством , и затем, при попадании электрона на анод, в тепло. Тогда электрон­ный КПД прибора можно оценить соотношением

4.37

В (4.37) коэффициент  должен учитывать значение скорости электрона в момент встречи с анодом, а также отражать факт не полного участия всех эмитированных катодом электронов в про­цессе усиления СВЧ колебании. В существующих приборах зна­чение этого 'Коэффициента составляют 2...3, а , так что оцененный по (4.37) КПД составляет величину 70...80%. Это высокое значение КПД особенно важно при использовании прибора в качестве мощного генератора. Вот почему даже самый первый прибор этого типа — непосредственно магнетрон — следует отнес­ти к наиболее эффективным и широко применяемым в СВЧ диа­пазоне генераторным приборам. Достигнутые на сегодняшний день уровни мощности в магнетроне в импульсном режиме состав­ляют десятки мегаватт в дециметровом диапазоне и десятки ки­ловатт в миллиметровом. Соответствующие значения средней или непрерывной мощности: сотни киловатт в дециметровом и деся­тки-сотни ватт в миллиметровом диапазонах. КПД магнетронов дециметрового диапазона достигают 75—85%, а в длинноволно­вой част миллиметрового диапазона 15—20%.

В то же время обычным многорезонаторным магнетронам при­сущи и некоторые недостатки. Чаще отмечают три из них:

низкая стабильность частоты генерируемых колебаний (отно­сительная нестабильность частоты составляет ...;

трудности, связанные с быстрой перестройкой рабочей ча­стоты;

поскольку в магнетроне используется замкнутая в кольцо за­медляющая система и реализуется стопроцентная положительная обратная связь, то магнетрон эффективно работает лишь как ав­тогенератор и не используется как усилительный прибор.

Одним из способов повышения стабильности частоты в магнетронах стало применение внешних высокодобротных резонаторов. Этот способ используется в так называемых коаксиальных и обращенных коаксиальных магнетронах. В конструкцию таких магнетронов входит добротный стабилизирюущий резонатор, связан­ный с замедляющей (резонансной) системой магнетрона и представляющий полуволновый цилиндр с колебаниями типа Н  добротность которого достигает нескольких тысяч.

Схема конструкции коаксиального магнетрона показана на рис. 4.21. Снаружи традиционного блока магнетрона, состоящей из катода 1 и анода 2, расположен стабилизирующий коаксиаль­ный резонатор 3, длина которого вдоль продольной оси равна половине длины волны. Связь между замедляющей системой и стабилизирующим резонатором осуществляется через щели 4, ко­торые прорезаются через элемент в корпусе замедляющей систе­мы. При работе магнетрона на колебаниях типа  от каждого эле­мента связи в резонаторе возникают синфазные колебания. Это увеличивает устойчивость работы коаксиального магнетрона без применения связок, что особенно важно в коротковолновой части СВЧ- диапазона. Вывод энергии осуществляется устройством 5 непосредственно из стабилизирующего резонатора.

В обращенном коаксиальном магнетроне (рис. 4.22) катод 1 располагают снаружи анода 2. В результате увеличивается эми­тирующая поверхность катода, что ведет к росту мощности. Ста­билизирующим резонатор 3 помещен внутри анодного блока. Связь между колебательными системами и вывод энергии выпол­няется так же, как и в коаксиальном магнетроне.

Преимущества этих приборов особенно наглядно проявляются в сантиметровом и миллиметровом диапазоне волн. По сравне­нию с обычными магнетронами они имеют на порядок более высо­кую стабильность частоты; достижимые мощность и КПД повы­шаются на 20—30% в несколько раз увеличивается срок службы, создаются условия для более эффективной перестройки рабочей частоты магнетрона.

Длительное время в основе перестройки рабочей частоты маг­нетрона лежал механический метод. Причем принцип действия устройств в этом методе исключал высокую оперативность. В на­стоящее время созданы конструкции, позволяющие значительно повысить скорость механической перестройки. В них используют­ся быстро вращающиеся диски (роторный метод), вибрационные механизмы и др. Но, пожалуй, самое высокое быстродействие реализуется на базе применения пьезоэлектрических элементов. Пьезоэлектрический датчик, расположенный внутри магнетрона, выполняют в виде двухслойной консоли. При этом верхний и ниж­ний слои под действием управляющего напряжения поляризуют­ся в противоположных направлениях, так что расширение верхне­го слоя сопровождается сжатием нижнего и наоборот. В резуль­тате консоль изгибается и закрепленная на ее конце индуктив­ная коронка перемещается в объеме резонатора, вызывая изме­нение частоты колебаний, генерируемых магнетроном. Время пе­рестройки составляет десятки и единицы микросекунд .