Наконец-то мы перестали ходить вокруг да около и подошли к реальному магнетрону! Вот на рис.1 и рис.2 наш знакомый магнетрон. Да, тот самый из Вашей СВЧ-печи, собственной персоной. А рядышком на рис.3 тоже магнетрон, но уже для других целей?.. А, если быть более точным, то это лишь часть магнетрона. Ведь прибор должен быть герметичным, тем более, что внутри должен быть вакуум! Но, ведь с другой стороны мы так и не увидим устройства этой штуковины... Пришлось подразобрать.
Так, что такое магнетрон и для чего он нужен?! Магнетрон, электровакуумный прибор, — генератор электромагнитных колебаний в диапазоне волн от метровых до миллиметровых. Многорезонаторный магнетрон прибор, где энергия потока электронов переходит в энергию СВЧ поля. Обмен происходит в пространстве взаимодействия скрещенных постоянных магнитных и электрических полей. Это так, вкратце...
С одной стороны устройство железяки простое, а с другой? Ну, да как во всех проблемах всё гораздо сложнее... На рис.6 Вы видите так называемый анодный блок рис.6а. Да, это не фото, а лишь чертёж, но зато всё видно по сравнению с рис.1 и рис.2. Итак, это медный цилиндр, изготовленный из особого сорта меди. Как, каким способом делаются все эти вырезы в металле, но? Центральное отверстие, это пространство взаимодействия электронного потока с полями и главное с полем СВЧ. Внутри находится цилиндрический катод рис.6d, главный поставщик электронов. Питание катода осуществляется через проводники рис.6с. Самыми главными отверстиями в теле блока это (для нашего случая) восемь резонаторов и прорезями направленными в сторону катода рис.6b. Для нас окружность отверстия, — индуктивность L, а стороны прорези, — ёмкость С. Получается, что резонатор колебательный контур LC. Естественно со своей резонансной частотой рис.11 «розовая» формула. А так как все вместе образуют систему контуров и плюс паразитные ёмкости как через катод так и между собой, то? То в приближение можно составить вот такую эквивалентную схему. Вы её и видите на рис.9. Правда это только для четырёхрезонанторного магнетрона.
А, что такое анодный блок? Да, это конечно АНОД, и? И это ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА, свёрнутая в кольцо. В общем виде резонаторы могут быть не только в таком виде как на рис.3,4 и 6, но и другой конфигурации и в частности не только как на рис.5а и рис.5b, но и другие.Другие это цилиндрические системы, но разнорезнаторные. У них дополнительно к основным размещены резонаторы с меньшим диаметром. Об этом мы поговорим позже. На рис.6е показана индуктивная петля связи с продолжением коаксиальной линией. Хотя в принципе всё это может быть устроено и по другому принципу. Для нас, в общем, это выход энергии СВЧ!
На время вернёмся к рис.3 и рис.4, это реальный магнетрон, точнее подразобранный... Ну,да если закрыть всё, что Вы видите и создать внутри вакуум, тогда конечно, а пока... Видна в одном из резонаторов та самая петля связи, петля отбора энергии СВЧ. Другие подробности железяки оставим на потом, а пока... На рис.1 магнетрон из нашей бытовой СВЧ-печи, где: а, — выход СВЧ, или иногда это называют антенной; b, — контакты катода. Кроме того на него (как на общий проводник) подают отрицательное напряжение (около 3000 В.). На анодный же блок подаётся положительное напряжение, причём блок с целью безопасности заземлён. В смысле корпус магнетрона соединён с анодным блоком. Немного другой конструкции, магнетрон на рис.2. Вдобавок показан со стороны видимых частей прибора. Что мы видим? Да немного... Алюминиевые полоски, это рёбра охлаждения. Под буковками N и S соответственно полюса магнита (два магнита), северный и южный. А также антенна и контакты катода.
Теперь о главном. На рис.8 Вы видите схематически анодный блок. Жёлтые кругляшки, — резонаторы (чётное количество, 8 штук!!!). Красного цвета, катод. Крестик, направление магнитного поля В (от Вас в сторону чертежа.). Жёлтое пространство между катодом и анодом, — пространство взаимодействия СВЧ с электронами. Тоненькая окружность со стрелочкой, условно путь движения взаимодействующих сторон, поля и электронов. Длина этой окружности, — L. Точка А, условно начало наших рассуждений. Теперь о деле... Магнетрон же генератор, и? И, вот, чтобы он генерировал хоть, что-то, нужно создать кольцо ну типа змеи кусающей себя за хвост! Чем сильнее она кусает, тем больше у неё злости на кусаещего, и? И тем сильнее она кусает... В нашем же случае, вот та окружность L и есть та змея. Усиленный сигнал (поле СВЧ), первоначально исходящий из точки А, должен возвратиться опять же в ту же точку А совершив обход по кругу (кольцевой многорезонаторной, замедляющей системы). Ну, чтобы дальше усиливаться. Повторяющийся круговой процесс превратится в непрерывное генерирование СВЧ определённой частоты. Но мало круговерти, нужно поддерживать ещё и баланс ФАЗ! Сигнал на входе и после усиления в точке А должен иметь одну и ту же фазу. А посему путь L должен быть равный 2пи по-другому суммарный угол сдвига фаз Ф во всех ячейках резонаторов должен быть именно 2пиn! Вот на рис.11 Вы это и видите. В этом случае сдвиг фаз между резонаторами ФИо будет равен 2пиn/N. Где N. — число резонаторов! В нашем случае их 8! Ниже строчка и принимаемые значения n! Это целые числа от 0 до N/2!
Нижняя строка это частота колебания генератора Омега n. Ёмкость С1 это та, что и на эквивалентной схеме рис.9, между анодом и катодом и как бы отдельно для каждого резонатора (сегмента). Ёмкость С, ёмкость резонатора как контура. В литературе можно встретить аналогичную формулу, но только с точки зрения длины волны. Из-за тесноты на рисунке та формула слишком громоздка... А, что такое n? В формуле рис.11 определяющей величину фо есть и n и N! Где N – число резонаторов, а п – целое число, называемое номером вида колебания. Автор «старинной» книги, М. С. Нейман называет эти номера азимутальными обертонами?! В теории фильтров (а, наша система фильтр) доказывается, что сдвиг фазы на одно звено (замедляющей системы) ФИо в полосе прозрачности системы не может быть более 180°, поэтому номер вида n в формуле 11а принимает лишь значения: 0, 1, 2, ..., N/2. Вид колебаний n=0 (ФИо=0) называют синфазным, a n=N/2, при котором ФИо = 180°, – противофазным, или ПИ-видом. Соотношение рис.11а называют условием цикличности или замкнутости ВЧ-поля магнетрона. Вот на рис.7 Вы и видите это в реальности. Здесь анод как бы растянут, а резонаторов лишь четыре, но это не меняет дела! Направление поля (полярность) очередного резонатора противоположно предыдущему (на 180°), что и отображено ниже. Эти всплески напряжённость поля каждого резонатора. При N = 4, n = 2. Получается, что номер вида колебания и есть число полных периодов! В нашем случае (как и положено) равно 2ПИn!
Сокращая всякие рассуждения скажу, что для магнетронных генераторов применяют в основном восьмирезонаторные анодные блоки и ПИ-вид колебаний. А, n = N/2! Так, что неспроста в предыдущей мини-лекции число электронных спиц ровно половине числа резонаторов! Чтобы показать эту цикличность я приложил голубую синусоиду к всплескам поля на рис.7. Как видите распределение поля да-а-алеко от синусоидального, то? То имеет место быть наличию пространственных гармоник. Гармоники которые могут быть такими: 0, +/-1, +/-2, ... До бесконечности при одной и той же частоте! В магнетроне применяют лишь НУЛЕВУЮ гармонику! Как бы основную. И ещё! Поля резонаторов в магнетроне имеют вид стоячей волны. Так ещё, они конечно очень волнуются, но не движутся... Считается, что здесь присутствуют сразу две бегущие волны: ПРЯМАЯ и ОБРАТНАЯ, но? Но мы используем как бы только прямую, движущуюся вместе с потоком электронов. Получается, что всем этим стадом управляет МАГНИТНОЕ поле!!! Оно же задаёт направление движения электронов (сила Лоренца). Вот и славночко! Можно заканчивать со всем этим не очень понятным?!
Вот только есть ещё одна неувязочка... Слишком уж много оговорок... Если то, так это и тд... О чём это я? О том, что работа магнетрона шибко щепетильна и чуть-что, всё генератор скачком меняет частоту! Вот на рис.10 и показаны эти неприятности... Это график зависимости частот от вида колебаний n! Посмотрите на кривую «БЕЗ СВЯЗОК». При n = 3 и n = 4 частоты так близко расположены... Получается как у М. М. Жванецкого:«Одно неосторожное движение и ты отец!!!» Так и у нас чуть напряжение в сторону и Вы на другой частоте! Поэтому и такое беспокойство... Вот и стали применять так называемые связки, в смысле, чтобы развести эти чёртовы частоты при разных n, как можно дальше друг от друга. На рис.3 они видны, но не очень, а вот на рис.4 увеличено и они во всей красе рис.4а. На рис.5с один из вариантов размещения связок. Вот после такого, вторая кривая на рис.10 «СО СВЯЗКАМИ». Почувствуйте разницу! Но?! Но то всё применяют лишь при длинах волн до 3см. Короче, в миллиметровых волнах размеры анодных блоков слишком малы, а потери наоборот из-за связок велики, поэтому?.. Поэтому применяют РАЗНОРЕЗОНАТОРНЫЕ анодные блоки. Вот чертёжики таких Вы и видите на рис.5d и рис.5e. Одним словом, дело это муторное...
На этом мы с Вами закончим магнетронные разбирательства, а затем... Одним словом лучшее, — враг хорошего... Это про следующую мини-лекцию!