X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Магнетроны применяются для получения колебаний высокой частоты. Они незаменимы в электронике и радиотехнике; устанавливаются в радиолокационных стациях, для высокочастотного нагрева, для ускорения заряженных частиц. В основе действия магнетрона лежит взаимодействие сильных электрических и магнитных полей, результатом чего является генерация колебаний высоких частот. Наиболее популярных видом магнетрона является многорезонаторный магнетрон.

Магнетро́н (от греч. μαγνήτης — магнит и электрон) — электровакуумный прибор для генерации радиоволн сверхвысокой частоты (СВЧ, микроволн), в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю. Наиболее известным применением магнетронов являются радары и бытовые микроволновые печи.

Различные типы магнетронов: в области напряжений 0,4…1,0 МВ и токов от 2 до 30 кА при длительности импульса от 50 до 1000 нс.

А) Магнетроны с многорезонаторными анодными блоками, состоящие из одинаковых резонаторов, разных резонаторов лопаточного типа и типа щель-отверстие. В 10см диапазоне длин волн эти магнетроны имеют КПД 20…30 % при гигаватте уровне мощности в импульсах длительностью 30…100 нс и полосе генерируемых частот 2%. Вывод СВЧ излучения производится в бок через щель связи в одном из резонаторов.

Б) Обращенный и коаксиальный обращенный магнетроны – дают СВЧ импульсы длительностью 500…700 нс с энергией до 250 Дж.

Коаксиальный магнетрон, содержащий стабилизирующий резонатор с отверстиями в наружной стенке и ферритовые стержни с катушками подмагничивания, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона перестройки частоты, повышения устойчивости работы магнетрона путем подавления паразитных Hmnp, Emnp видов колебаний, ферритовые стержни выполнены выступающими внутрь объема стабилизирующего резонатора и проходящими сквозь отверстия в его наружной стенке, при этом число К отверстий в стенке стабилизирующего резонатора и ферритовых стержней не кратно числу азимутальных индексов m паразитных видов колебаний и выбрано из ряда простых чисел: К 5,7,11.

Его основой является анодный блок, который представляет собой толстостенный полый медный цилиндр, в стенках которого вырезаны полости, соединённые с центральным пространством щелями. Эти полости представляют собой кольцевую систему объёмных резонаторов.

В центре анодного блока высверлено широкое круглое отверстие, через которое подключается источник питания посредством специальных выводов к катоду (подогреваемая нить накала), который проходит вдоль центральной оси анода. Вывод высокочастотных колебаний устанавливается в одном из резонаторов. Торцы цилиндра герметично закрыты медными крышками, а внутри обеспечивается вакуум высокой степени. Эффективное охлаждение блока обеспечивается ребристыми радиаторами, расположенными на его поверхности.

Магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющих роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. К анодному блоку закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создаётся внешними магнитами или электромагнитом. Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля закреплённая в одном из резонаторов или отверстие из резонатора наружу цилиндра.

Схема конструкции магнетрона

Рис. 1. Схематическое изображение многорезонаторного магнетрона: а - общий вид; б - сечение плоскостью, перпендикулярной H0.

Резонаторы магнетрона представляют собой замедляющую систему, в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых видах колебаний, из которых важное значение имеет π-вид. Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π.

Для стабильной работы магнетрона (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10 %). Так как в магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные — другой).

Отдельные модели магнетронов могут иметь различную конструкцию. Так, резонаторная система выполняется в виде резонаторов нескольких типов: щель-отверстие, лопаточных, щелевых и т. д.

Когда анодное напряжение достигает значения, соответствующего началу синхронизма. С увеличением напряжения условия синхронизма улучшаются; сила тока, выходная мощность и кпд М. увеличиваются.

При оптимальных условиях синхронизма кпд М. достигает максимума. Дальнейшее повышение анодного напряжения постепенно ухудшает синхронизм и сопровождается снижением кпд, несмотря на увеличение силы тока и выходной мощности.

Весь анодный блок устанавливается в сильное магнитное поле, которое создаётся постоянными магнитами. Между катодом и анодом устанавливается высокое электрическое напряжение, при этом положительный полюс прикладывается к аноду. Электроны, которые вылетают из катода под действием электрического поля, двигаются в радиальном направлении к аноду, однако под влиянием магнитного поля меняют траекторию движения.

При определённых величинах магнитного и электрического полей удаётся добиться такого состояния, когда электроны, описывая окружность, в итоге пройдя рядом с анодом, вновь возвращаются на катод, а на анод попадает только незначительная часть вылетевших электронов. Большая часть их возвращается обратно в область катода.

При некоторых условиях динамического равновесия, возвращающиеся в область катода электроны заменяются вылетевшими вновь. Поскольку электроны постоянно перемещаются от катода к аноду, возле последнего рядом со щелями объёмных резонаторов устанавливается постоянно вращающийся заряд кольцеобразной формы. По мере движения по окружности центральной полости анодного блока электроны возбуждают в каждом резонаторе незатухающие высокочастотные колебания.

Выводятся эти колебания посредством витка проводов, расположенного в полости одного из резонаторов, которые затем передаются в коаксиальную линию или волновод.

В радарных устройствах волновод подсоединён к антенне, которая может представлять собой как щелевой волновод, так и конический рупорный облучатель в паре с параболическим отражателем (так называемая «тарелка»). Магнетрон управляется короткими высокоинтенсивными импульсами подаваемого напряжения, в результате чего излучается короткий импульс микроволновой энергии. Небольшая порция этой энергии отражается обратно антенне и волноводу, где она направляется к чувствительному приёмнику. После дальнейшей обработки сигнала он, в конце концов, появляется на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) в виде радарной карты.

В микроволновых печах волновод заканчивается отверстием, прозрачным для радиочастот (непосредственно в камере для готовки). Важно, чтобы во время работы печи в ней находились продукты. Тогда микроволны поглощаются вместо того, чтобы отражаться обратно в волновод, где интенсивность стоячих волн может вызвать искрение. Искрение, продолжающееся достаточно долго, может повредить магнетрон. Если в микроволновой печи готовится небольшое количество пищи лучше поставить в камеру ещё и стакан воды для поглощения микроволн.

В РЛС находят применение коаксиальные магнетроны (КМ) с быстрой перестройкой частоты, что расширяет тактико-технические возможности РЛС.

Список литературы

1. Рожанский, В.Б. Сверхвысокочастотные и квантовые приборы: Лаб. практикум для студ. радиотехнических и телекоммуникационных спец. БГУИР всех форм обуч. [Текст] / В.Б. Рожанский. – Мн: БГУИР, 2004. – 88 с.

2. Сапунов, Г.С. Ремонт микроволновых печей [Текст] / Г.С. Сапунов. – М.: СОЛОН-Пресс, 2003. – 272 с.

3. Володин, В.Я. LTspice: компьютерное моделирование электронных схем [Текст] / В.Я. Володин. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. – 400с.

4. Лебедев, И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. В 2т. Т.2. Электровакуумные приборы СВЧ / Н.Д. Девятков. – М.: Высшая школа, 1972. – 376 с.

5. Диденко, А.Н. СВЧ-энергетика: Теория и практика / А.Н. Диденко, Я.Б. Данилович. – М.: Наука, 2003. – 446 с.

6. Григорьев, А.Д. Электродинамика и микроволновая техника: 2-е издание. / А.Д. Григорьев. – СПб.: Издательство "Лань", 2007. – 704с.

7. Сорокин, В.С. Материалы и элементы электронный техники. В 2т. Т.2. Активные диэлектрики, магнитные материалы, элементы электронной техники: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.С. Сорокин, Б.В. Антипов, Н.П. Лазарева. – М.: Издательский дом «Академия», 2006. – 384с.

8. Стародубцев, Ю.Н. Теория и расчёт трансформаторов малой мощности / Ю.Н. Стародубцев. – М.: ИП Радио Софт, 2005. – 320 с.

9. Рогожин, К.В. Исследование и разработка средств измерения и анализа анодных токов магнетронов в микроволновых технологических установках: Маг. дис. / Рогожин К.В; Санкт-Петербургский гос. электротех. ун-т. – Санкт- Петербург, 2014. – 94 с.

10. Измерение мощности СВЧ [Электронный ресурс] / Сайт цифровых учебно- методических материалов ВГУЭС – Режим доступа: http://abc.vvsu.ru/Books/metrolog_standar_i_sertif/page0013.asp

Код для цитирования: Скопировать