Використання магнетрону

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Магнетрон - це потужна електронна лампа, яка генерує мікрохвилі при взаємодії потоку електронів з магнітним полем.

Термін «магнетрон» був запропонований А. Халлом (англ. A. Hull), який в 1921 році, вперше опублікував результати теоретичних і експериментальних досліджень роботи приладу в статичному режимі і запропонував ряд конструкцій магнетрона. Генерування електромагнітних коливань в дециметровому діапазоні хвиль за допомогою магнетрона відкрив і запатентував в 1924 чехословацький фізик А. Жачек.

У 1940 британські фізики Джон Рендалл (англ. John Randall) і Гаррі Бут (англ. Harry Boot) винайшли резонансний магнетрон. Новий магнетрон давав імпульси високої потужності, що дозволило розробити радар сантиметрового діапазону. Радар з короткою довжиною хвилі дозволяв виявляти більш дрібні об'єкти. Крім того, компактний розмір магнетрона призвів до різкого зменшення розмірів радарної апаратури, що дозволило встановлювати її на літаках.

Характеристики та параметри магнетронів

До робочих характеристик відносяться постійна потужність, вольт-амперна характеристика і коефіцієнт корисної дії (ККД) пристрою.

Рисунок 1 - Робочі характеристики магнетрона.

Робочі характеристики магнетрона (рис. 1) побудовані для фіксованих значень індукцій магнітного поля В при за Кст навантаження. Із робочих характеристик видно що при малих анодних напругах анодний струм в магнетроні відсутній. Майже всі електрони які вилетіли з катода повертаються в катод. При деякому значені анодної напруги , коли виконується умова синхронізму, в магнетроні збуджується інтенсивне коливання. В цій області при не значному збільшені анодної напруги різко збільшується анодний струм. При збільшенні напруженості магнітного поля інтенсивні коливання в магнетроні збуджуються при більш високій анодній напрузі.

При дуже малих чи великих значеннях анодного струму робота магнетрона нестійка. В області малих струмів відбуваються скачко подібні зміни частоти робочого виду коливань на частоти інших видів коливань, струми збудження яких менше струмів збудження робочих коливань. В області великих струмів відбувається іскріння в середині магнетронів, які призводять до руйнування активної поверхні катода.

ККД збільшується при збільшенні напруженості магнітного поля, що пояснюється покращенням умов взаємодії електронів з НВЧ полем.

До навантажувальних характеристик відносяться постійна потужність і частота. Навантажувальні характеристики представлені на рисунку 2, побудовані на площині комплексного значення коефіцієнта відбиття для фіксованих значень анодного струму і напруженості магнітного поля. В заштрихованій області магнетрон працює нестабільно.

Рисунок 2 - Навантажувальні характеристики магнетрона.

Магнетрони відрізняються простотою конструкції, можуть працювати на різних частотах від 0,5 до 100 ГГц, з потужностями від декількох Вт до десятків кВт в безперервному режимі, і від 10 Вт до 5 МВт в імпульсному режимі при тривалості імпульсів головним чином від часток до десятків мікросекунд. Магнетрони володіють високим коефіцієнтом корисної дії (ККД) - до 80%.

Магнетрони як генератори надвисоких частот широко використовуються в сучасній радіолокаційній техніці, в побутовій техніці, і т. д.

Конструкція

Резонансний магнетрон складається з анодного блоку, який представляє собою, як правило, металевий товстостінний циліндр з прорізаними в стінках порожнинами, які виконують роль об'ємних резонаторів (рис. 3). Резонатори утворюють кільцеву коливальну систему. До анодному блоку закріплюється циліндричний катод. Усередині катода закріплений підігрівач. Магнітне поле, паралельне осі приладу, створюється зовнішніми магнітами або електромагнітом.

Для виведення НВЧ енергії використовується, як правило, дротяна петля, закріплена в одному з резонаторів, або отвір з резонатора назовні циліндра. Резонатори магнетрона представляють собою сповільнювальну систему, в них відбувається взаємодія пучка електронів і електромагнітної хвилі. Оскільки ця система в результаті кільцевій конструкції замкнута сама на себе, то її можна збудити лише на певних видах коливань, з яких важливе значення має ?-вид.

Цей вид коливань названий так тому, що напруги НВЧ на двох сусідніх резонаторах зрушені по фазі на ?.

Для стабільної роботи магнетрона (щоб уникнути перескоків під час роботи на інші види коливань, що супроводжуються змінами частоти і вихідний потужності) необхідно, щоб найближча резонансна частота коливальної системи значно відрізнялася від робочої частоти (приблизно на 10%). Так як в магнетроні з однаковими резонаторами різниця цих частот виходить недостатньою, її збільшують введенням зв'язків у вигляді металевих кілець, одне з яких сполучає всі парні, а інше всі непарні ламелі анодного блоку, або застосуванням різнорезонаторної коливальної системи (парні резонатори мають один розмір, непарні - інший).

Рисунок 3 - Магнетрон в поперечному січенні.

Окремі моделі магнетронів можуть мати різну конструкцію (рис. 4). Так, резонаторна система виконується у вигляді резонаторів декількох типів: щілина-отвір, лопаткових, щілинних і т. д.

Рисунок 4 - Схема конструкції магнетрона.

Принцип роботи.

Електрони виділяються з катода в простір взаємодії, де на них впливає постійне електричне поле анод-катод, постійне магнітне поле і поле електромагнітної хвилі. Якби не було поля електромагнітної хвилі, електрони б рухалися в схрещених електричному та магнітному полях по порівняно простих траєкторіях: епіціклоідах (крива, яку описує точка на колі, що котиться по зовнішній поверхні кола більшого діаметра, у конкретному випадку - по зовнішній поверхні катода) - рисунок 5.

Рисунок 5 - Принцип роботи магнетрона.

При досить високому магнітному полі (паралельному осі магнетрона) електрон, що рухається по цій кривій, не може досягти анода (унаслідок дії на нього з боку цього магнітного поля сили Лоренца), при цьому говорять, що відбулося магнітне закривання діода. У режимі магнітного закривання деяка частина електронів рухається по епіціклоідах в просторі анод-катод. Під дією власного поля електронів, а також статистичних ефектів (дробовий шум) в цій електронній хмарі виникають нестабільності, які призводять до генерації електромагнітних коливань, ці коливання підсилюються резонаторами.

Електричне поле утвореної електромагнітної хвилі може уповільнювати або прискорювати електрони. Якщо електрон прискорюється полем хвилі, то радіус його циклотронного руху зменшується і він відхиляється в напрямку катода. При цьому енергія передається від хвилі до електрона. Якщо ж електрон гальмується полем хвилі, то його енергія передається хвилі, при цьому циклотронний радіус електрона збільшується і він одержує можливість досягти анода. Оскільки електричне поле анод-катод здійснює позитивну роботу тільки якщо електрон досягає анода, енергія завжди передається в основному від електронів до електромагнітної хвилі. Однак, якщо швидкість обертання електронів навколо катода не буде збігатися з фазовою швидкістю електромагнітної хвилі, один і той же електрон буде поперемінно прискорюватися і гальмуватися хвилею, в результаті ефективність передачі енергії хвилі буде невеликою. Якщо середня швидкість обертання електрона навколо катода збігається з фазовою швидкістю хвилі, електрон може перебувати безперервно гальмівній області, при цьому передача енергії від електрона до хвилі найбільш ефективна. Такі електрони групуються в згустки (так звані «спиці»), що обертаються разом з полем. Багаторазова, протягом ряду періодів, взаємодія електронів з ВЧ-полем і фазове фокусування в магнетроні забезпечують високий коефіцієнт корисної дії і можливість отримання великих потужностей.

магнетрон генератор частота мікрохвиля

Параметри і характеристики багаторезонаторних магнетронів

Параметри магнетрона виділяють номінальні і максимально допустимі режими його використання в якості генератора НВЧ коливань. Основними параметрами магнетронів являється робоча частота f0, а бо діапазон робочих частот, потужність НВЧ коливань Р. Якщо магнетрон призначений для роботи в імпульсному режимі, то в якості параметрів вказується мінімальна і максимальна тривалість імпульсу, максимально допустима частота повторення імпульсів і т.д.

Одним із найбільш важливих параметрів магнетрона являється його повний ККД,

Робочі характеристики магнетрона - це залежність потужності в навантаженні Р, ККД, частоти коливань f и анодної напруги Еа від постійної складової струму аноду Іа. Робочі характеристики магнетрона знімаються при незмінному навантажені, відповідно режиму узгодження при різних значеннях магнітної індукції В=const (Рис. 6, а)

Рисунок 6 - Робочі характеристики магнетрона

При заданому значенні В і підвищенні Еа анодний струм спочатку дуже малий і повільно збільшується. Ця частина робочої характеристики відповідає області за критичного режиму (Еа<Еп). При подальшому, відносно невеликому збільшені Еа анодний струм швидко збільшується і в робочій області збуджуються НВЧ коливання. При збільшені магнітної індукції В для досягнення початкового значення струму необхідно збільшити анодну напругу Еа. При цьому варто відмітити, що на практиці найбільш часто використовують пакетні магнетрони, дозволяючи змінювати тільки напруженість електричного поля, але при незмінній індукції магнітного поля.

Велике значення для характеристики стійкості НВЧ коливань має залежність генерованої частоти від режиму магнетрону, яка називається електронним зміщенням частоти, і яка оцінюється кількісно по зміні робочої частоти в мегагерцах, відносно 1 А прибавленого анодного струму. Залежність генерованої частоти від напруги Еа і Іа (рис. 6, б) пояснюється тим, що із за відставання центру «шпиць» від максимуму першої гармоніки тангенціальної складової НВЧ поля електронна провідність магнетрона, крім від'ємної активної складової ge(?,E) компенсує втрати потужності в коливальні системі, має і реактивну-ємнісну складову.

Аналіз навантажувальних характеристик магнетрона можна провести на основі еквівалентної схеми (рис. 7), яка враховує власні електричні провідності контурів резонаторної системи:

так і реактивну be(?, E~) і відємну активну be(?, E~) провідності, внесені електронним потоком:

а також провідність навантаження YH(?), прираховану до вхідного фланця магнетрона:

В стаціонарному режимі для еквівалентної схеми (рис. 7) можна скласти рівняння балансу активних і реактивних провідностей:

де,

Рисунок 7 - Еквівалентна схема.

Якщо упустити залежність провідностей be і ge від амплітуди E~, то із рівнянь можна визначити частоту ? і потужність НВЧ коливань, поступаючи в навантаження.

Використання

У радарних пристроях хвилевід приєднаний до антени, яка може являти собою як щілинний хвилевід, так і конічний рупорний опромінювач в парі з параболічним відбивачем (так звана «тарілка»). Магнетрон управляється короткими високоінтенсивними імпульсами напруги, в результаті чого випромінюється короткий імпульс мікрохвильової енергії. Невелика порція цієї енергії відбивається назад до антени і хвилеводу, де вона прямує до чутливого приймача. Після подальшої обробки сигналу він, врешті-решт, з'являється на екрані у вигляді радарної карти.

Висновок: магнетрон - потужний генератор високочастотних електромагнітних хвиль. Досить простий пристрій який має високий коефіцієнт корисної дії. Магнетрони використовуються як в радіолокації, так і в побутових приладах на зразок мікрохвильової печі.

Частота електромагнітної хвилі визначається розміром та формою резонаторів.

Недолік магнетрона -- нестабільність частоти, перевага -- значна потужність. В радарах нестабільність частоти компенсують, налаштовуючи приймач на частоту випромінювання, що є технічно простішою задачею, ніж утримання сталої частоти передавача.

Размещено на Allbest.ru