Микроволновый диапазон электромагнитных колебаний и его особенности. Обзор исторического пути развития микроволновых приборов. Современные технологии, использующие микроволновые приборы (стр. 5 )

КПД. Электронный КПД магнетрона определяет эффективность преобразования энергии электронного потока в энергию высокочастотных колебаний , возбуждаемую в резонаторной системе, по отношению к подводимой мощности . В общем случае, величина электронного КПД магнетрона находится в сложной зависимости от геометрии и электрического режима магнетрона.

Формула для оценочного расчета электронного КПД:

Полный КПД магнетрона состоит из электронного КПД и КПД резонаторной системы:

, где

Амплитрон. Принцип действия. Мощный магнетронного типа усилитель обратной волны с замкнутым электронным потоком, в котором используется кольцевая замедляющая система с нечётным (чтобы избежать возбуждения колебаний π–вида) числом периодов. Размыкание кольцевой замедляющей системы в амплитроне, необходимое для ввода и вывода СВЧ энергии, а также для осуществления режима бегущей волны, обеспечивается благодаря разрыву в связках используемой замедляющей системы. Электронный поток амплитрона аналогичен электронному потоку магнетрона. Вследствие замкнутости электронного потока в амплитроне должны выполняться условия, при которых сгруппированный электронный поток, переходя через точку разрыва в связках, не подвергался бы перегруппировке. Это обстоятельство налагает ограничения на полосу усиливаемых частот, которая у амплитрона является тем не менее достаточно широкой и достигает 5—10% от средней частоты. КПД. Амплитроны применяются в качестве усилителей сравнительно мощных сигналов; КПД амплитронов не менее 55%, а в мощных и сверхмощных приборах достигает 85%.

Митрон. Принцип действия. Электронный поток, инжектируемый электронном пушкой, поступает в пространство взаимодействия и под действием только статических радиального электрического и продольного магнитного полей о напряженностью Е  и Н соответственно вращается вокруг «холодного» катода с азимутальной скоростью вращения. В таком замкнутом кольцевом электронном потоке в пространстве взаимодействия возникают азимутальные уплотнений (сгустки) вследствие флуктуационных изменений плотности пространственного заряда. Вращающиеся сгустки электронов наводят переменные токи в штыревой анодной системе, которые, в свою очередь, создают высокочастотное электрическое поле между штырями, оказывающее дополнительное группирующее воздействие на пространственный заряд. Электронный поток формируется в четко выраженные «спицы», аналогичные «спицам» магнетрона. Таким образом, в основе принципа работы приборов типа М лежит движение электронов под воздействием трех сил - скрещенных статических, электрического и магнитного полей и высокочастотного электрического поля анодной системы. Строго говоря, на электроны действует также и четвертая сила со стороны пространственного заряда, создаваемая другими электронами. Ее действие выражается в разгруппировке, т. е. образовании неупорядоченных электронных сгустков, что приводит к отклонению  реальной конфигурации «спицы» от рассматриваемой идеализированной. Однако, при качественном рассмотрении принципа работы приборов влиянием сил пространственного заряда можно пренебречь. Под действием указанных трех сил движение электронов в направлении анодной системы в приборах типа М происходит по сложной циклоидальной траектории. Эти электроны попадают На анод со скоростью, близкой к v = E/В  и рассеивают там свою остаточную кинетическую энергию. КПД  до 70%.

Еще про митрон на картинке:

Основные конструктивные разновидности.

Рис.1. Конструкция магнетрона. Катод магнетрона 3 - оксидный подогревный, его основанием служит никелевый цилиндр, на который нанесено оксидное покрытие. Внутри катодного цилиндра располагается спираль подогреваКрепление катода осуществляется с помощью металлических держателей 5, которые одновременно являются проводниками тока накала подогревателя. Для предотвращения утечки высокочастотной энергии через цепь накала катода в конструкции накального ввода предусмотрен высокочастотный дроссель 6, который представляет собой отрезок четвертьволновой короткозамкнутой линии. Вывод высокочастотной энергии 7 образован коаксиальной линией, центральный проводник которой заканчивается индуктивной петлей связи 8, расположенной в резонаторе магнетрона. Для обеспечения устойчивой генерации на p-виде колебаний используется связки - тонкие проводники (обычно прямоугольного сечения), которые соединяют между собой лопатки резонатора через одну.

Рис.2. Конструкция амплитрона.

Рис.3. Конструкция митрона. Пространство взаимодействия расположено между анодной системой 1, в качестве которой обычно используется встречно-штыревая структура (ее половина представлена на рис. ниже), свернутая в кольцо и «холодным» катодом 6, необходимым для создания радиального электрического поля. Спиральный эммитирующий катод 3 из торированного вольфрама вместе с управляющим электродом 4 образуют электронную пушку.

Сравнение с приборами О-типа.

В приборах М-типа электроны отдают СВЧ полю не кинетическую, а потенциальную энергию, полученную от источника постоянного напряжения. Средняя скорость переносного движения электронов не изменяется, благодаря чему не нарушаются условия синхронизма с полем бегущей волны. Например, магнетроны дают большую выходную мощность и обладают высоким КПД. Недостатки их - узкополосность, а также невозможность электронной перестройки частоты и усиления. А ЛБВ и ЛОВ О-типа, наоборот, широкополосны, в них возможна электронная перестройка частоты и усиление колебаний, но зато они имеют сравнительно малый КПД и во многих случаях небольшую выходную мощность.

18.​ Гирорезонансные приборы. Особенности группирования и отбора энергии от электронного потока. Принцип действия убитрона.

Гирорезонансные приборы

Гирорезонансные приборы предназначены преимущественно для генерации и усиления электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

Принципиальной особенностью приборов является использование электронных потоков, в которых электроны перемешаются по спиральным траекториям, совершая как поступательное (вдоль оси прибора), так и вращательное движения.

Генерация и усиление микроволнового излучения в этих приборах базируются на преобразовании кинетической энергии вращательного движения электронов в энергию электромагнитного поля.

Особенности группирования и отбора энергии от электронного потока

Изменение поперечных скоростей электронов, происходящее в процессе взаимодействия с переменным полем, приводит к изменению характера их вращательного движения. Поскольку радиус круговой орбиты электрона пропорционален скорости, ее изменение приводит к соответствующему изменению радиуса орбиты. Происходит азимутальная группировка из-за того что переменное электрическое поле меняет линейную орбитальную и угловую вращательную скорость электронов, так как при увеличении линейной скорости частицы растет ее масса и уменьшается угловая скорость вращательного движения при учете релятивистской зависимости массы от скорости.

Рис.1. Азимутальная группировка.

Для того, чтобы сгруппированные таким образом электроны передавали свою кинетическую энергию переменному полю, необходимо, чтобы электронная группа смещалась в сторону азимутальной плоскости, в которой она будет испытывать торможение, т. е. к плоскости, в которой первоначально находился электрон 2. Это может быть достигнуто, если отойти от точного циклотронного резонанса и обеспечить режим, при котором  , где е - малая по сравнению с единицей величина.

Принцип действия убитрона

Быстрые (релятивистские) электроны пролетают через пространственно-периодическую магнитную систему, создающую поперечное к направлению движения частицы поле – статическую магнитную волну. Такая система накачки называется ондулятор. Затем благодаря эффекту Доплера в направлении перемещения заряд будет излучать на частоте, во много раз превышающей частоту его колебаний.

Упорядоченный характер взаимодействия обеспечивается, если за время, в течение которого электроны перемещаются на расстояние, равное периоду ондуляторного поля b, волна перемещается вдоль оси прибора на расстояние, равное 

где  -  длина волны (пространственный период) электромагнитного поля в волноводе.

19.​ Гиротрон – источник мощного излучения в мм диапазоне. Принцип действия. Типовые конструкции, параметры.

Принцип действия

Электронная пушка формирует полый электронный поток, в котором электроны движутся по спиральным траекториям. Причем энергия вращательного движения  должна существенно превосходить кинетическую энергию поступательного движения.

Если собственная частота резонатора близка к частоте вращательного движения электронов, то создаются условия такого взаимодействия потока и поля, при котором возникает и поддерживается генерация электромагнитных волн. Электронный поток, прошедший резонатор и передавший полю резонатора часть кинетической энергии, связанной с вращательным движением, попадает на стенки волновода-коллектора электронов. Энергия электромагнитного поля через выходное окно передается во внешний волновод, связывающий прибор с нагрузкой (подробнее в материалах к лекции 12).