Н.М.Изюмов, Д.П.Линде
"ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ"
М.,Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965г.

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ

ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

10-8. 

ГЕНЕРАТОРЫ БЕГУЩИХ ВОЛН КЛАССА М

Рассмотрим особенности движения электронов в скрещенных магнитном и электрическом полях. Для этого представим себе два плоских электрода, между которыми приложена постоянная разность потенциалов (рис.10-51). Поместим их в магнитное поле так, что его силовые линии будут направлены от нас перпендикулярно плоскости чертежа. Допустим, что в некоторый момент времени на поверхности минимального потенциала K появился электрон. Под действием электрического поля он начнет двигаться к поверхности максимального потенциала A. Однако это движение оказывается весьма сложным из-за наличия магнитного поля.

Рис. 10-51. Траектории движения электронов в постоянных скрещенных электрическом и магнитном полях.

Из курса физики известно, что постоянное магнитное поле действует на проводник с током, стремясь сместить его в том направлении, где силовые линии поля проводника направлены навстречу линиям основного поля (рис. 10-52), т.е. туда, где результирующее поле ослабевает. Очевидно, что эта сила F действует не на провод (иначе она действовала бы на него и без тока), а на электроны, движущиеся в нем. Поэтому то же самое произойдет и в случае, когда они движутся не в проводнике, а в вакууме. В каждой точке магнитного ноля на электроны будет действовать сила, перпендикулярная одновременно направлению их движения и магнитному полю. Направление этой силы можно получить, определяя по правилу буравчика ход силовых линий магнитного поля летящего электрона и находя направление ослабления результирующего поля.

Рис. 10-52. Действие магнитного поля на провод с током.

Так, например, легко определить, что электрон, вылетевший из точки 1 поверхности K (рис.10-51), будет отклоняться вправо. В некоторой точке 2 вектор скорости V электрона направлен под острым углом к плоскости K, и сила магнитного воздействия P, перпендикулярная вектору скорости, отклоняет электрон к плоскости K. То же влияние будет в точках 3 и 4, в результате чего электрон вернется к плоскости K (траектория а). Но это будет происходить не всегда. Если электрическое поле очень велико, а магнитное мало, то искривление траектории будет небольшим и электрон попадет на плоскость A (траектория б). Наконец при некотором "критическом" соотношении между электрическим и магнитным полями электрон пройдет в непосредственной близости от плоскости A (траектория в). Следовательно, если плоскость K - эмиттирующий электрод (катод), то всегда можно установить соотношение полей, близкое к критическому (H > Hкр), при котором электроны будут пролетать вблизи поверхности максимального потенциала A (анода).

Расчеты показывают, что траектории электронов при этом совпадают с траекториями точек обода мысленного колеса, катящегося по катоду с постоянной, так называемой "переносной" скоростью

(10-51)

где E -напряженность электрического, а H - напряженность магнитного полей. Поскольку одни электроны опускаются на катод, а другие поднимаются с него, их движение по вертикали взаимно компенсируется и средний эффект проявляется в перемещении электронного облака с постоянной переносной скоростью вдоль анода.

Рис. 10-53. Группировка потока полем бегущей волны в приборах типа М.

Допустим теперь, что анод представляет собой замедляющую систему, вдоль которой распространяется электромагнитная волна (рис.10-53), и на щели 1 в данный момент действует максимальное тормозящее, а на щели 2 максимальное ускоряющее напряжение; электронный поток движется с той же скоростью и в том же направлении, что и волна. Электрон под серединой щели 1 тормозится и отдает энергию волне. При этом он начинает отставать от бегущей волны и попадает в поле, конфигурация которого в данный момент соответствует, например, точке А. Но здесь силовые линии переменного поля, искривляясь (напомним, что к поверхности идеального проводника они должны подходить перпендикулярно, см. гл. 5), приобретают поперечное направление и складываются с постоянным полем, что приводит согласно соотношению (10-51) к увеличению скорости электрона и последний снова вводится в зону максимального тормозящего поля. Если же какой-то электрон оказался в точке В, то вследствие того, что там постоянное поле ослаблено поперечной составляющей поля волны, в соответствии с соотношением (10-51) его скорость уменьшится и он также войдет в зону действия максимального тормозящего поля. Рассуждая аналогично, можно показать, что, наоборот, электроны из-под щели 2, где действует ускоряющее поле, будут удаляться; они перейдут к щели, где действует тормозящее поле или, как будет показано далее, упадут на катод.

Следовательно, в отличие от генераторов класса О группировка потока производится действием не продольной, а поперечной составляющей поля волны. Поле само собирает и удерживает электроны в зоне, где действует максимальное тормозящее поле и происходит эффективная передача энергии волне. Поэтому в отличие от генераторов класса О здесь для обмена энергии нужно, чтобы скорость потока была точно равна скорости волны.

Передача энергии одними и теми же электронами не может происходить длительно. Проследим их судьбу, чтобы уяснить ход всего процесса в целом. При движении электрона только в постоянных полях (см. рис.10-51) происходит периодическое изменение его энергии. На катоде он обладает максимальной потенциальной энергией относительно анода; в верхней точке траектории 3 она уменьшается и переходит в кинетическую. За счет запаса кинетической энергии электрон может вернуться на катод в точку 5, где его потенциальная энергия снова возрастает до максимума, а кинетическая будет равна нулю.

Теперь рассмотрим более сложную картину, когда, кроме постоянных полей, на электроны действует еще бегущая вдоль системы волна переменного поля. Если электрон вылетел, когда над ним проходило тормозящее поле волны (рис.10-54), то, потеряв часть кинетической энергии вблизи анода, он уже не может вернуться к катоду и остановится при возвратном движении в точке 2. Если переносная скорость электронов равна скорости волны, то в ту же точку одновременно придет и тормозящее поле, поэтому электрон снова начнет двигаться к аноду и цикл повторится. В каждом цикле электрон будет терять часть своей потенциальной энергии, приближаясь к аноду, и на столько же будет возрастать энергия волны. На последнем витке электрон ударяется об анод, затрачивая остаток своей энергии на его нагрев. Этот остаток будет тем меньше, чем больше витков описал электрон до удара (тем меньше энергии останется у него на последнем витке).

Рис. 10-54. Траектории движения электронов в приборах типа М.

Из рассмотрения движения электрона в постоянных полях следует, что сила, искривляющая его траекторию, тем больше, чем сильнее магнитное поле, следовательно, тем меньше будет радиус витков и тем больше уложится их между анодом и катодом. Отсюда ясно, что к.п.д. генераторов класса M тем больше, чем сильнее магнитное поле. Однако увеличение напряженности магнитного поля встречает значительные технические трудности не только само по себе, но и потому, что для сохранения синхронности движения потока с волной согласно условию (10-51) необходимо пропорционально увеличивать напряжение на аноде.

Иначе ведет себя электрон Э2, вылетевший с катода во время действияускоряющего поля (рис.10-54). Этот электрон приобретает в верхней части витка кинетическую энергию, превышающую расход его потенциальной энергии, поэтому он возвращается на катод и тратит избыток своей энергии на нагрев последнего.

Таким образом, электроны, отдающие свою энергию, длительное время находятся в пространстве взаимодействия, часть за частью передавая ее волне, а электроны, отбирающие энергию, совершают это однократно и уже на первом витке возвращаются на катод. Благодаря этому в целом поток передает энергию волне.

Из того, что мы рассмотрели, вытекает и основная принципиальная особенность генераторов класса М: в них происходит преобразование потенциальной энергии электронов потока в энергию волны. При этом расход энергии электронами не изменяет средней скорости потока и не нарушает условий синхронизма. Следовательно, для электронного к.п.д. генераторов этого типа не существует никаких принципиальных ограничений. И действительно, в настоящее время известны генераторы класса М с к.п.д., превышающим 80%.

В большинстве практических случаев замедляющие системы генераторов типа M свертывают в кольцо. Это не меняет рассмотренной выше общей картины явлений. Траектории электронов в цилиндрической системе с постоянными полями будут иметь вид следа точки окружности, катящейся по катоду, причем радиус этой окружности тем меньше, чем сильнее магнитное поле. Как и в плоской системе, траектории электронов, отдающих энергию волне, будут иметь вид нескольких витков, оканчивающихся на аноде (рис.10-55). Электроны же, поглощающие энергию, будут на первом витке возвращаться на катод.

Рис. 10-55. Траектории движения электронов в цилиндрических генераторах типа М.

Рассмотрим теперь, как эти общие идеи находят конкретное техническое воплощение. На рис.10-56,а изображена конструкция мощной лампы бегущей волны - усилителя типа М. Прибор имеет цилиндрическое строение и помещается в магнитное поле, перпендикулярное плоскости чертежа. Электронный прожектор, состоящий из катода 1 и ускоряющего электрода 6, разгоняет электроны, которые заворачиваются магнитным полем и летят вдоль замедляющей системы типа двойной гребенки 5, играющей роль анода. Постоянное напряжение приложено между ним и холодным (неэмиттирующим) катодом 7. Входной сигнал подается через коаксиальный ввод 4, расположенный вблизи прожектора. Усиленный сигнал снимается с конца замедляющей системы 3 у коллектора 2. В средней части этой системы расположен поглотитель 8. На рис.10-56,б показана конструкция мощной лампы обратной волны - автогенератора класса М. Его конструкция близка к рассмотренной перед этим системе. Прибор имеет ту же замедляющую систему и один вывод энергии вблизи от электронного прожектора. Генераторы этого типа на сантиметровых волнах позволяют получить полезную мощность до 10 кВт при к.п.д. порядка 35% и коэффициенте электронной настройки 1:2.

Рис. 10-56. Мощные генераторы типа М:
а - лампа бегущей волны-усилитель;
б - лампа обратной волны-автогенератор.

Наиболее распространенным из генераторов бегущих волн класса М является магнетрон. Его замедляющая система представляет собой цепочку резонаторов (рис.10-57). В отличие от рассмотренных выше генераторов он не имеет электронного прожектора (его заменяет массивный цилиндрический катод); в нем отсутствует также коллектор. Благодаря этому электронный поток и колебательная система становятся замкнутыми. Как и у рассмотренных ранее генераторов класса М, во вращающемся около катода электронном облаке образуются сгустки ("спицы") в областях, где действует тормозящее электрическое поле.

Рис. 10-57. Магнетронный генератор.

На рис.10-58 дано объемное изображение конструкции магнетрона.

Рис. 10-58. Конструкция магнетрона (а) и его резонатор (б):
1 - катод; 2 - анодный блок; 3 - резонатор;
4 - петля связи; 5 - вывод энергии.

Замкнутость системы создает новую особенность в работе генератора. Режим установившихся колебаний возможен в генераторе только тогда, когда волна, обойдя замедляющую систему, например, от резонатора 1 (см. рис.10-57), вернется к нему с той же фазой или отличающейся от нее на целое число 2 рад. Бегущая волна тока, обтекая резонаторы, создает на каждом из них падение напряжения, сдвинутое относительно тока на некоторый фазовый угол , зависящий от расстройки резонаторов относительно частоты генерируемых колебаний. Из условия замкнутости следует, что сумма этих фазовых сдвигов

(10-52)

где N - число резонаторов; п - целое число (n = 0, 1, 2, ...), а фазовый сдвиг на один резонатор

(10-53)

Легко убедиться, что сдвиг может принимать различные значения только при

. Так,

если

, то

(10-54)

что с точностью до направления отсчета совпадает с

(10-55)

Действительно,

 

Следовательно, в магнетроне в отличие от рассмотренных выше генераторов типа М с

разомкнутой замедляющей системой могут возбуждаться только

разных типов

колебаний, соответствующих значениям

.

Различный фазовый сдвиг на резонаторах может возникнуть только при различной частоте проходящей через них бегущей волны тока. Значит, при различных типах колебаний в магнетроне возбуждаются различные частоты. Как же практически вызвать в магнетроне колебания желаемого типа? В гл.5 мы познакомились с уравнением бегущей волны (5-4), которое можно переписать в виде

(10-56)

Второе слагаемое в скобках показывает, насколько изменяется фаза волны при прохождении пути x.

Если расстояние между соседними резонаторами L, а сдвиг фаз колебаний в них (который надо рассматривать как результат запаздывания бегущей волны) , то согласно уравнению (10-56)

(10-57)

откуда, учитывая выражение (10-53),

(10-58)

Последнее выражение показывает, что в зависимости от типа колебаний (номера п) скорость распространения бегущих волн вдоль замедляющей системы различна.

Для эффективного взаимодействия волны с потоком необходимо, чтобы они двигались синхронно - с одинаковой скоростью. Средняя же скорость потока определяется отношением напряженности электрического и магнитного полей. Следовательно, для возбуждения колебаний желаемого типа нужно установить такое напряжение на аноде, при котором выполнялось бы условие синхронизма потока с волной:

(10-59)

Из этого выражения следует, что скорость бегущей волны убывает с увеличением номера n; наименьшей она будет при максимальном значении n = N/2. При этом, как видно из уравнения (10-53), колебания в соседних резонаторах будут сдвинуты друг относительно друга на , т.е. будут происходить в противофазе. Для возбуждения их согласно выражению (10-59) потребуется минимальное анодное напряжение, что технически выгодно.

Подробная теория показывает также, что при колебаниях противофазного типа осуществляется наиболее эффективное взаимодействие потока с волной. Поэтому практически во всех магнетронах используют колебания противофазного типа. Поскольку энергия в магнетроне переносится бегущей волной, обходящей последовательно все резонаторы, то нет необходимости отбирать энергию от каждого из них. Для вывода ее в один из резонаторов вставляется петля индуктивной связи, переходящая во внешний фидер.

Магнетрон представляет собой диод, поэтому единственным способом воздействия на амплитуду его колебаний могло бы быть изменение анодного напряжения. Однако это неизбежно привело бы к изменению условий синхронизма, переходу с одного типа колебаний на другие, а следовательно, к скачкам частоты, чего допустить нельзя. Поэтому магнетроны обычно используют в импульсном режиме, подавая на анод питающее напряжение в виде импульсов с возможно более плоской вершиной.

Магнетроны работают в диапазонах дециметровых, но более всего в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн. Они способны развивать в импульсе (на сантиметровых волнах) мощности в десятки мегаватт при очень высоком к.п.д., достигающем 60-70%.

Магнетрон может возбудиться и при взаимодействии с обратной волной, когда напряжение на аноде ниже, чем при колебаниях типа .

В последние годы создан новый прибор класса М для усиления дециметровых и сантиметровых волн, основанный на взаимодействии потока с обратной волной и названный платинотроном (рис.10-59). Замедляющая система платинотрона представляет собой двухпроводную линию, нагруженную на резонаторы лопаточного типа. Катод у него цилиндрический, как и у магнетрона. Поглотителя здесь нет, потому что линия согласуется на входе и на выходе и отраженные волны отсутствуют. Входной сигнал создает бегущие волны с фазовой скоростью vв в замедляющей системе. При выполнении условия синхронизма (при равенстве скорости электронов ve и скорости волны - vв) происходит описанное выше энергетическое взаимодействие потока с обратной волной.

Рис. 10-59. Платинотрон-усилитель (амплитрон).

Усиление прибора невелико (до 20 раз), но он работает с очень высоким к.п.д., достигающим 80%. Благодаря замкнутости потока диапазонные свойства этого усилителя хуже, чем у лампы бегущей волны, но он может все же работать приблизительно внутри 10%-й полосы частот.

В этой главе:
10-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАМПОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
10-2. ГЕНЕРАТОРЫ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ (УСИЛИТЕЛИ)
10-3. ГЕНЕРАТОРЫ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ
10-4. ЛАМПОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
10-5. КЛИСТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ
10-6. ГЕНЕРАТОРЫ БЕГУЩИХ ВОЛН
10-7. ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ
10-8. ГЕНЕРАТОРЫ БЕГУЩИХ ВОЛН КЛАССА М
10-9. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ
10-10. ГЕНЕРАТОРЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
10-11. ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ С РЕАКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ОДНОГО ЗНАКА
10-12. ЗАТЯГИВАНИЕ ЧАСТОТЫ В АВТОГЕНЕРАТОРАХ
10-13. ЗАХВАТЫВАНИЕ ЧАСТОТЫ АВТОГЕНЕРАТОРА
10-14. ГЕНЕРАТОРЫ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
ВСЕГДА ВЫРУЧИТ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО от одной батарейки!

Вы не останетесь без связи в самый нужный момент - в качестве источника энергии выступит обычная батарейка типа АА...

Удобная почтовая доставка не только по России...

 
Более 3000 типов оригинальных аккумуляторов...

...для смартфонов и мобильных телефонов LG, Samsung, Motorola, Nokia, Sony Ericsson и др.

Доставка почтой, курьером...

webmaster@radio-1895.ru