Магнетроны. 
Электроника. 
Часть 1 вакуумная и плазменная электроника

Магнетрон (magnetis — магнит) представляет собой коаксиальный цилиндрический диод в магнитном поле, направленном по его оси. Эффект генерирования магнетроном СВЧколебаний открыл в 1924 году чехословацкий инженер А. Жачек, а термин магнетрон ввел американский физик А. Халл, который в 1921 году разработал теоретические основы работы магнетрона. В СССР исследования магнетронов оригинальной конструкции были проведены в 1926 году А. А. Слуцким и Д. С. Штейнбсргом. Первые многорезонаторные магнетроны в СССР были разработаны Н. Ф. Алексеевым и В. М. Маляровым.

Рис. 4.16. Многорезонаторный магнетрон:

• 1 — анодный блок с резонаторами типа «щель—отверстие»; 2— резонатор;
• 3— вывод подогревателя катода; 4 — катод; 5 — петля связи; б — выходное устройство СВЧ-энергии

Магнетрон относится к классу генераторных электровакуумных СВЧ-прнборов, в которых формирование электронного потока и его взаимодействие с электромагнитным полем СВЧ-диапазона происходят в пространстве взаимодействия, где электрические и магнитные поля скрещены.

Общий вид магнетрона представлен на рис. 4.16.

Количество резонаторов в диоде магнетронного типа всегда четное. Эмитированные катодом электроны двигаются под воздействием скрещенных электрического и магнитного полей.

В пространстве между катодом и анодом происходят процессы, характерные для любого прибора СВЧ-диапазона. Управление электронным потоком, образование сгустков электронов и отдача энергии высокочастотному электрическому полю— все эти процессы происходят в одном пространстве.

Если для простоты рассмотреть пространство между анодом и катодом в виде плоскости (при R оо), то траектория электронов будет описываться циклоидой (рис. 4.17, а).

Благодаря рассеянию полей отдельных резонаторов их колебания жестко связаны друг с другом, а система всех резонаторов представляет собой единую колебательную систему. Высокочастотные колебания в пространстве взаимодействия магнетрона имеют вид стоячей волны (рис. 4. I7, б). Стоячие волны можно интерпретировать как сумму двух бегущих волн, распространяющихся в противоположные стороны. Это достигается путем подбора значений анодного напряжения и напряженности магнитного поля. Электроны уплотняются в сгустки, имеющие вид спиц. Как видно из рис. 4.17, 6, внутри спиц траектории электронов имеют сложный характер.

Рис. 4.17. Циклоидальные траектории электронов в плоском магнетроне (а) и образование сгустков электронов (спиц) в пространстве взаимодействия цилиндрического магнетрона (б).

Кинетическая энергия электронов при их движении в спицах определяется скоростью электронов при их движении по циклоидальной траектории. Она максимальна на вершине циклоиды, где скорость определяется как: У^ = 2— .

В

Механизм передачи энергии электронов высокочастотному полю заключается в уменьшении энергии электронов, которая максимальна у катода и близка к нулю у анода. Преобразование энергии электронов в энергию СВЧ-поля продолжается от момента их эмиссии с катода до момента достижения анода. Заметим, что часть электронов в результате сложных траекторий возвращается на катод и способствует увеличению эмиссии за счет эффекта вторичной электронной эмиссии.

Условия синхронизма выполняются при оптимальном соотношении между анодным напряжением и величиной магнитного поля.

В зависимости от режима работы различают магнетроны импульсного и непрерывного действия. По конструктивному исполнению магнетроны могут быть как перестраиваемые по частоте, так и настроенные на определенную частоту (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Некоторые типы магнетронов: а — мощный импульсный магнетронный генератор сантиметрового диапазона длин волн с перестраиваемой частотой; б — мощный магнетрон миллиметрового диапазона; в — усилитель СВЧ-диапазона — амплитрон.

Различают разновидности магнетронов, которые относят к приборам М-типа:

• ? Митрой — магнетрон, частота генерируемых колебаний которого изменяется в широком диапазоне и пропорциональна анодному напряжению.
• ? Лмплитрон (платинотрон) — мошный усилитель обратной волны магнетронного типа с замкнутым электронным потоком.
• ? Дематрон — усилитель прямой волны магнетронного типа с распределенной эмиссией.
• ? Инжектрон— трехэлектродная импульсная модуляторная лампа, в которой для формирования электронного пучка и управления током используется магнетронная пушка.
• ? Кар.чатрон — прибор обратной волны магнетронного типа, в котором используется взаимодействие замкнутого электронного потока с согласованной замедляющей системой.