Микроволновая техника — магнетроны

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 $\ phi_v$ представляет относительное изменение фазы электрического поля переменного тока в соседних полостях, то

$$\ phi_v = \ frac {2 \ pi n} {N}$$

Где n=0, pm1, pm2, pm( fracN2−1), pm fracN2$n = 0, \: \ pm1, \: \ pm2, \: \ pm \: (\ frac {N} {2} -1), \: \ pm \ frac {N} {2}$

Это означает, что $\ frac {N} {2}$ мода резонанса может существовать, если $N$ является четным числом.

Если,

$$n = \ frac {N} {2} \ quad then \ quad \ phi_v = \ pi$$

Этот режим резонанса называется $\ pi-mode$.

$$n = 0 \ quad then \ quad \ phi_v = 0$$

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

$$R = \ frac {mv} {eB}$$

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 » $(B_c)$, которое является отсеченным магнитным полем. Обратитесь к следующему рисунку для лучшего понимания.

Дело 4

Если магнитное поле сделано больше, чем критическое поле,

$$B&amp;gt; B_c$$

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.