Анодный ток 7а, если индукция близка к критической, уменьшается плавно (рис. 15.13, е), так как электроны обладают разными начальными скоростями, которым соответствуют различные значения индукции. Когда В>В„р, траектории электронов искривляются настолько, что электроны проходят вблизи анода и возвращаются к катоду (рис. 15.13, д), а анодный ток /а близок к нулю. Изменяя индукцию магнитного поля В, можно в широких пределах управлять анодным током магнетрона.

Зависимость /а = ф(В) при 6a=const (см. рис. 15.13, е) называется статической характеристикой магнетрона. Принимая различные значения напряжения (Ua">U/>Ua), можно получить ссмейство статических характеристик, из которых следует, что каждому значению анодного напряжения соответствует своя критическая индукция Вкр (Вб/м).

В реальных условиях движение электрона от катода к аноду магнетрона происходит с постепенно возрастающей скоростью, поэтому его траектории отличаются от круговой. Для этого режима соотношение между Ua и критическим значением индукции Вкр устанавливается уравнением

Вр = 2

и.

а к

где Га и Гк - соответственно радиус анода и катода.

Магнетроны со сплошным анодом обладают малой мощностью на СВЧ и низким к.п.д. Рассмотренный метод управления током лежит в основе работы более сложных многорезонаторных магнетронов.

Многорезонаторные магнетроны. Многорезонаторный магнетрон (рис. 15.14) содержит цилиндрический катод 2, коаксиально размещенный в анодном блоке 4. Анод выполнен из меди и снабжен радиатором 5; В анодном блоке устроены цилиндрические резонаторы 5 с продольными щелями 3. Катод отделен от анода некоторым пространством 1, в котором взаимодействуют эмиттированные катодом электроны с высокочастотным полем резонаторов. Внешнее напряжение на подогреватель катода подводится через выводы 8.

Постоянное магнитное поле создается внешним магнитом (на рисунке не показан) и направлено по оси магнетрона. Ускоряющее электрическое поле создается анодным источником между анодом и катодом и направлено по радиальным линиям. Вывод энергии из резонаторов осуществляется при помощи витка связи 6, через его внешний вывод 7.

В пространстве взаимодействия 1 юстоянное магнитное поле действует вдоль оси катода, а электрическое - между анодом и катодом по радиальным прямым. При включении накала и действии ортогональных электрического и магнитного полей эмиттированные катодом электроны перемещаются по циклоидальным траекториям (рис. 15.15, а). Проходя вблизи щелей резонаторов, электроны возбуждают в них высокочастотные колебания с частотой, определяемой параметрами резонансных систем.

Между колебаниями в резонаторах, а равно и высокочастотными полями в их щелях имеется фазовый сдвиг на угол ф=2яя/Лр, где Лр-четное число резрнанторов магнетрона; п - целое число от О до Лр/2. Очевидно, что при п=0 фазовый сдвиг Ф = 0, следовательно, колебания всех резонаторов совпадают по фазе: При n=Nj,/2 фазовый сдвиг ф между колебаниями в смежных резонаторах равен я. Режим, при котором ф=я, соответствует я колебаниям. В этом режиме точки нулевого потен-

Рнс. 15.14. Многорезонаторный нетрон

маг-

Рис. 15.15. Траектории электронов в пространстве взаимодействия

циала высокочастотного поля находятся в середине щелей, т. е. поля в щелях имеют попеременные противоположные направления, а сегменты анода 1, 2, 3 и т. д. обладают попеременно положительными и отрицательными потенциалами (см. знаки + и - на рис. 15.15, а).

Рассмотрим взаимодействие электронов с СВЧ полем щелей для режима jt колебаний. Для упрощения анализа анод и катод магнетрона представлен в виде параллельно идущих плоскостей (см. рис. 15.15, б). Силовые линии постоянного электрического поля, действующего между анодом и катодом, изображены штриховыми линиями (см. рис. 15.15, б), а силовые линии высокочастотного поля резонаторов около щелей и в пространстве взаимодействия - сплошными кривыми М. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.

1. Предположим, электрон начинает движение у катода в точке d (см. рис. 15.15, а). Если напряженность магнитного поля Я>Якр, а ВЧ электрическое поле отсутствует, то электрон, вылетевший из катода с начальной скоростью i; = 0, под действием постоянного электрического поля Ео станет испытывать притяжение к аноду, а магнитное поле будет закручивать его обратно к катоду. В результате электрон опишет циклоиду OiOz.

2. При наличии ВЧ поля в резонаторе траектория движения зависит от характера поля. Когда это поле является тормозящим (см. рис. 15.15, а - сегмент 1 имеет положительный потенциал, а сегмент 2 - отрицательный), то электрон в пространстве против щели (между сегментами 1 v. 2) испытывает тангенциальное торможение. При этом он отдает часть своей кинетической энергии ВЧ полю резонатора Р1, его скорость движения по циклоиде уменьшается. Вследствие этого закручивающее влияние силы магнитного поля (действующей в направлении к катоду и пропорциональной скорости электрона) уменьшится, поэтому электрон не дойдет до катода, а опишет траекторию О1О2.

3. Из точки О2 электрон под действием электрического и магнитного полей будет двигаться по новой циклоиде О2О3. Если электрон достигнет следующей щели через половину периода, его движение снова затормозится, так как электрическое поле резонатора Р2 к этому моменту изменит свое направление (знак) и станет тормозящим. Двигаясь по циклоиде О2О3, электрон отдает полю ре.зо-. натора Р2 некоторое количество энергии. Дальше он будет двигаться по траектории О3О4О5 и т. д. и попадает на анод. На пути движения к .аноду-электрон подвергается тормозящим воздействиям полей резонаторов и отдает им энергию, которую он получил от поля, созданного источником постоянного напряжения.

4. Если же электрон попадает в ускоряющее поле резонатора (силовые линии встречиы. см. рис. 15.15, е), он отнимает энергию от ВЧ поля резонатора. При этом он больше закручивается магнитным полем, попадает на катод и нагревает его, увеличивая потери энергии.

Для возбуждения и поддержания в магнетроне незатухающих колебаний необходимо, чтобы энергия, отдаваемая электронами в тормозящих ВЧ полях, превышала энергию, получаемую от ускоряющих ВЧ полей. Это требование удовлетворяется, если электрон приходит в поле каждой щели резонатора в моменты, когда его поле для электрона будет тормозящим. В восьмирезонаторных магнетронах это требование реализуется, если электрон проходит расстояние между соседними щелями за полупериод.

Практически электроны, отдающие свою энергию ВЧ полю, находятся в пространстве взаимодействия дольше, чем электроны потерь, забирающие энергию от поля. Поэтому в целом энергия постоянного поля переходит в энергию высокочастотного поля, чем и обусловлено возбуждение и существование незатухающих колебаний в магнетроне. Возбуждаемые колебания с помощью элемента индуктивной связи (витка 6, см. рис. 15.14) отводятся во внешнюю цепь.

При синхронной работе обеспечивается устойчивый режим генерации магнетрона. Поскольку поля у щелей резонаторов меняются через каждый полупериод, то в пространстве взаимодействия возникает бегущая волна. Она перемещается за полупериод от одного резонатора к другому и обегает внутреннюю поверхность анодного блока. Таким образом, многорезонаторные магнетроны являются приборами с колебаниями бегущей во.пны. В отличие от клистронов в них обеспечивается непрерывность взаимодействия электронов с высокочастотным полем, чем достигается более высокая эффективность передачи энергии электронного потока высокочастотному полю возбуждаемых колебаний.

Глава 16 ЧАСТОТНО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ЛАМПЫ

§ 16.1. Преобразование частоты

Общие сведения. Преобразование частоты щироко используется в радиоприемных устройствах. При преобразовании частоты на принятый ВЧ модулированный сигнал fc (рис. 16.1, а) в приемнике налагается вспомогательное немодулированное ВЧ колебание с частотой fr, генерируемое в самом приемнике маломощным автогенератором (гетеродином.) Элемент схемы, в котором происходит наложение частот, называется сиесыгележ, а часть схемы (функциональный узел), включающая смеситель и гетеродин,- преобразователем.

Частота принятого сигнала преобразуется с помощью нелинейных элементов. Этой цели служат электронные лампы (диоды, триоды, пентоды и др.), обладающие нелинейными характеристиками.

При использовании диода в качестве смесителя управляющие напряжения сигнала и гетеродина включаются последовательно в цепь анода лампы, а при использовании триода - в цепь сетки.

Преобразователь

:----

Рис. 16.1. Структурная и принципиальная схемы каскада преобразования частоты