Движение электронов во вращающихся синхронно с СВЧ-полем спицах очень сложное. На рис. 8.8 показаны траектории трех электронов в системе координат, вращающейся вокруг центра катода с угловой скоростью ы^пп-

Невозможность достаточно полно учесть особенности траекторий всех электронов в пространстве взаимодействия магнетрона приводит к тому, что^изложенные выще основы теории магнетрона не являютсяточными. Однако они достаточны для практической работы радиоинженера.

§ 8.3. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОРЕЗОНАТОРНЫХ МАГНЕТРОНОВ

Основными параметрами магнетронов являются рабочая частота /о или диапазон рабочих частот для перестраиваемых магнетронов и колебательная (полезная) мощность Р (непрерывная или импульсная). Если магнетрон предназначен для работы в импульсном режиме, то к его параметрам относят также максимальную и минимальную допустимые длительности импульса, максимально допустимую частоту повторения импульсов или максимально допустимый коэффициент заполнения при работе пакетно-импульсными посылками (отношение суммарной длительности импульсов в пакете к периоду повторения пакетов).

Важным параметром магнетрона является его к. п. д. Полный к. п. д. магнетрона т) = ц^-ц^ определяется произведением электронного к. п. д. ц^, т. е. к. п. д. процесса преобразования энергии источника анодного питания в энергию колебаний, и к. п. д. PC магнетрона tj.. Последний параметр зависит от рабочей частоты и лежит в пределах 0,9-0,95 для дециметровых магнетронов и 0,6-0,65 для магнетронов миллиметрового диапазона волн.

Значение электронного к. п. д. магнетрона зависит от режима его работы. Потенциальная энергия электрона, которую он теряет, пересекая пространство взаимодействия, Un \ е \ Е^. Попадая на анод, электрон передает ему ту кинетическую энергию, которая определяется его скоростью в момент соударения, т. е. = туу2. В худшем с энергетической точки зрения случае электрон имеет при этом максимально возможную скорость, т. е. скорость его движения в верхней точке петли эпициклоиды. В свою очередь эта скорость вдвое больше скорости центра образующего круга: Ушах = 2идр. Следовательно,

7- =

2mEl

-. Разность Ни - Т'к идет на генерацию

СВЧ-колебаний. Поэтому

11э =

= 1-2

(8.14)

В соответствии с (8.4) 2 {т/ё)/{г, - rj = В^р/£акр-Подставив это соотношение в (8.14), получаем

(8.15)

В формуле (8.15) значение В^ соответствует по параболе критического режима рабочему напряжению магнетрона Е^, а акр - рабочему значению индукции В.

Как видно из (8.15), к. п. д. магнетрона может быть очень высоким. И действительно, магнетронные генераторы являются самыми эффективными источниками энергии СВЧ. Так, например, т) магнетронов, работающих на /о = = 2,45 ГГц, приближается к 90 %. В миллиметровом диапазоне, где возрастают неучитываемые (8.15) потери, а уменьшается, полный к. п. д. магнетронов лежи! в пределах 20-30 %.

Рабочие характеристики магнетрона - это его вольт-амперные характеристики, которые снимаются при работе магнетрона на согласованную нагрузку и при постоянных значениях магнитной индукции В; зависимости при тех же условиях колебательной мощности Р, к. п. д. и частоты генерируемых колебаний от постоянной составляющей анодного тока 1. Эти зависимости, как и вольт-амперные характеристики при В = const, представляют в координатах /а - Е^ъ виде линий постоянных значений Р, т], / (рис. 8.9).

Анализируя ход рабочих характеристик, следует иметь в виду, что магнитную индукцию в рабочем режиме изменить невозможно. Поэтому выбор рабочей точки произво-

Рис. 8.9. Рабочие характеристики магнетрона:

> Ti2 > У],. f,>h> h

дят на кривой, соответствующей рекомендуемому значению В.

При движении по кривой В = const с ростом резко растет анодный ток. Динамическое сопротивление магнетронов Rns - AEJAI ls=consi лежит обычно в пределах 50-150 Ом.

С увеличением и соответственно /а (при В = const) генерируемая мощность Р растет, что легко объясняется, поскольку Р = r\EJ. При этом к. п. д. магнетрона сначала также немного увеличивается (уплотняется группировка электронов в спицах за счет увеличения амплитуды СВЧ электрического поля), а затем незначительно умень-щается в основном из-за разгруппировки спиц силами электростатического отталкивания.

При смещении рабочей точки вдоль кривой с 5 = const происходит изменение генерируемой частоты. Это явление называется электронным смещением часто-т ы (ЭСЧ) и количественно оценивается по изменению рабочей частоты в МГц на 1 А изменения анодного тока. У обычных (нестабилизированных) магнетронов сантиметрового диапазона ЭСЧ достигает нескольких МГц/А. Причина этого явления в том, что электронная проводимость магнетрона, кроме отрицательной активной составляющей, имеет и реактивную - емкостную составляющую. Наводимый на сегментах анодного блока СВЧ-ток также имеет емкостную составляющую, соответственно сдвинутую по фазе относительно тормозящего электрического поля. Момент прохождения центров электронных спиц через центры щелей PC несколько отстает от максимумов поля в щелях, что эквивалентно увеличению эффективной емкости PC магнетрона. Поэтому частота генерации ниже собственной частоты PC на л-виде. С ростом I, (при увеличении Ба) растет определяемая формулой (8.5) Удр. Условие синхронизма (8.6) в соответствии с (8.9) должно выполняться на более высокой частоте. Емкостный сдвиг по фазе между наведенным током и тормозящим полем уменьшается, а рабочая частота растет, как показано на рис. 8.10, для пакетированного магнетрона.

Левая и нижняя заштрихованные области на рис. 8.9 являются нерабочими, так как в них генерация магнетрона неустойчива. Справа и сверху рабочие характеристики ограничены из-за возникновения искрений.

При импульсной работе магнетрона положение рабочей точки на одной из характеристик, так же как и ЭСЧ, опре-