Электровакуумные приборы магнетронного типа Работу


МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ.

Воронежский Государственный Университет.

Физический факультет

Кафедра Электроники

Реферат

Электровакуумные приборы магнетронного типа

Работу выполнил:

студент 3 курса группы компьютерная

электроника

_____________________________

Работу проверил:

________________

Воронеж 2006

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ————————————————————————————3

1 Движение заряженных частиц в скрещенном электрическом и магнитном полях —————————————————————————————-3

1.1 Уравнение траектории —————————————————— 4

1.2 Группировка электронов в скрещенных полях ———————— 7

2 Усилитель бегущей волны типа М —————————————————8

2.1 Отличие от ЛБВ типа О ——————————————————9

2.2 Принципиальная схема ЛБВ типа М, общее описание —————9

2.3 Усиление ЛБВ типа М——————————————————10

2.4 Применение ЛБВ типа М—————————————————14

3 Лампа обратной волны типа М——————————————————14

3.1 Принципиальная схема ЛОВ типа М, общее описание—————14

3.2 Пусковые условия в генераторе обратной волны типа М————16

3.3 Усилитель обратной волны типа М—————————————17

3.4 Применение ЛОВ типа М—————————————————19

4 Магнетрон——————————————————————————20

4.1 Устройство магнетрона и принцип работы——————————20

4.2 Применение магнетронов—————————————————22

5 Список использованной литературы———————————————23

Введение

Работа СВЧ — генераторов или усилителей заключается в преобразовании энергии источников постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний. Приборы СВЧ диапазона подразделяются на электровакуумные, электронно-плазменные, квантовые, полупроводниковые и плазменные, которые в свою очередь также подразделяются на подклассы. Класс электровакуумных приборов включает приборы, преобразующие кинетическую энергию свободных электронов, ускоренных в вакууме, в энергию СВЧ колебаний. Этот класс приборов, получивших наибольшее распространение, делится на три основных подкласса — приборы с электростатическим управлением электронным потоком (триоды, тетроды); приборы с динамическим управлением электронным потоком, основанном на принципе скоростной модуляции, это приборы “О- типа” и, наконец, — приборы “М-типа”. Приборы “О-типа” имеют прямолинейную геометрию электронного потока в продольном внешнем магнитном поле (клистроны, лампы бегущей и обратной волны, соответственно — ЛБВ, ЛОВ). В приборах “М-типа” модулированные электронные потоки формируются в результате дрейфового движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях (магнетроны, платинотроны, ЛБВ-М, ЛОВ-М). К приборам вакуумной электроники относится также подкласс релятивистских приборов “О” и “М” типов, в которых используются сильноточные электронные потоки больших энергий, когда релятивистский γ-фактор заметно отличается от 1 (релятивистские ЛОВ, магнетроны, а также гиротроны). Релятивистские приборы, являющиеся мощнейшими импульсными источниками СВЧ полей, тем не менее, могут иметь ограничения по току из-за тормозящего электроны отрицательного потенциала, возникающего в пучке из-за высокой плотности электронного объемного заряда. Для снятия токового ограничения в приборах плазменной СВЧ электроники используется компенсация объемного заряда электронов пучка ионами плазмы, создаваемой специальными плазменными источниками. К квантовым приборам СВЧ относятся атомные и молекулярные генераторы, квантовые парамагнитные усилители, объединяемые термином “мазеры”. Класс полупроводниковых приборов СВЧ включает подклассы СВЧ транзисторов, диодов с отрицательным сопротивлением: лавинопролетных (ЛПД) и туннельных диодов, диодов Ганна. Представителями класса плазменных СВЧ приборов можно считать газоразрядные генераторы шума.

В приборах М типа используется движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Рассмотрим, для начала, основные закономерности движения заряженных частиц в таких полях [3].

1 Движение заряженных частиц в скрещенном электрическом и магнитном полях

1.1 Уравнение траектории

На рис. 1 изображено пространство между катодом (внизу) и анодом вверху, к которым приложено постоянное напряжение EMBED Equation.DSMT4 , создающее однородное электрическое поле EMBED Equation.DSMT4 по вертикали, и пронизанное силовыми линиями однородного магнитного EMBED Equation.DSMT4 поля поперек плоскости чертежа вглубь, как изображено на рисунке. Введем систему координат: y – вверх в плоскости чертежа, z – горизонтально направо в плоскости чертежа, x – вглубь по нормали.

Рис. 1

В векторном виде уравнения движения для нерелятивистского электрона в системе Гаусса

EMBED Equation.3 , (1)

положим EMBED Equation.3 . В нашем плоском случае EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 , и уравнения принимают вид

EMBED Equation.3 (2)

Дифференцируя по времени второе уравнение подставляем в него первое и получаем

EMBED Equation.3 .(3)

Введя в рассмотрение циклотронную частоту EMBED Equation.3 перепишем в окончательном виде

EMBED Equation.3 . (4)

Дважды интегрируя это уравнение получаем решение в виде суммы общего решения однородного уравнения

EMBED Equation.3 (5)

и частного решения неоднородного уравнения EMBED Equation.3 . Дифференцируя по времени это решение согласно второму уравнению из первоначальных уравнений движения получаем решение и для EMBED Equation.3 . Так получается параметрическое описание зависимости скорости электрона от времени:

EMBED Equation.3 . (6)

Имея начальные условия EMBED Equation.3 определяем неизвестные коэффициенты при синусах и косинусах:

EMBED Equation.3 . (7)

Дальнейшее интегрирование при начальных EMBED Equation.3 параметрическое описание траектории от времени:

EMBED Equation.3 . (8)

Это уравнения трохоиды — траектории всевозможных точек плоскости, катящейся одним своим фиксированным кругом по прямой (параллельно поверхности катода). Скорость движения центра круга EMBED Equation.3 — скорость дрейфа.

Можно выделить два частных случая траекторий:

1) движение по прямой с постоянной скоростью EMBED Equation.3 ; (точки совпадают с центром круга), такой вариант движения электронов используется в ЛБВ-М,

2) первоначально покоившаяся частица EMBED Equation.3 , будучи отпущенной в свободный полет из начальной точки EMBED Equation.3 , совершает движение по циклоиде

EMBED Equation.3 , (9)

этот вариант используется в магнетроне. Высота вершины циклоиды достигает EMBED Equation.3 , а максимальную скорость, как точка катящегося колеса, электрон приобретает на вершине циклоиды EMBED Equation.3

Во всех случаях средняя скорость дрейфа – “скорость центра колеса” – равна отношению напряженности электрического поля к индукции магнитного. Это и понятно – ведь переход в систему отсчета, сопутствующую “центру колеса”, устраняет электрическое поле, то есть, после преобразования Лоренца над данным электромагнитным полем, электрическое поле вообще исчезает, и движущийся со скоростью дрейфа наблюдатель видит равномерное вращение частиц в однородном магнитном поле.

Благодаря этому вдоль электродов можно создать электронный поток, двигающийся с постоянной средней скоростью EMBED Equation.3 , и, если один из электродов – замедляющая система (обычно анод) с такой же замедленной фазовой скоростью, то возможно организовать взаимодействие электронного потока с бегущей волной – с прямой гармоникой – ЛБВ-М, с обратной гармоникой – ЛОВ-М.

Существуют два варианта реализации такой структуры –

– инжектировать поток извне в виде ленты параллельно катоду вдоль z, или

— устроить электронную эмиссию на всей большой поверхности отрицательного электрода, то есть катод с распределенной эмиссией ). Рис. 2

В первом случае, показанном на рис. 2, применяют так называемую короткую электронно – оптическую систему инжекции. Электроны, вытягиваемые из катода электрическим полем ускоряющего электрода, успевают пролететь только половину циклоиды к тому моменту, как попадают во вдвое усиленное электрическое поле, в котором их скорость оказывается в точности равной скорости дрейфа, и далее продолжают уже прямолинейное движение в сторону коллектора, не приближаясь к аноду или отрицательному электроду.

1.2 Группировка электронов в скрещенных полях

Аналогично решению для замедляющей системы в виде плоской стенки, поле замедляющей системы с двумя стенками является решением уравнения Гельмгольца, и описывается гиперболическими функциями, являющимися суперпозицией двух затухающих экспонент. Поперечное поле EMBED Equation.3 описывается гиперболическим косинусом с минимумом на плоском отрицательном электроде, где координата y=0, а продольное поле, естественно, на плоской металлической стенке, равно нулю, и, поэтому, продольные компоненты поля замедленной волны описывается гиперболическим синусом. EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 , они экспоненциально спадают при удалении от замедляющей системы.

Рассмотрим действие на электронный поток электрического поля замедленной волны, движущейся со скоростью дрейфа электронов. Там, где поперечное электрическое поле EMBED Equation.3 замедленное, волны складывается с постоянным электрическим полем анода EMBED Equation.3 , оно ускоряет дрейф электронов и подгоняет их в зону, где продольное электрическое поле замедленной волны EMBED Equation.3 отнимает у них энергию. Там, где EMBED Equation.3 вычитается из постоянного электрического поля EMBED Equation.3 , скорость дрейфа электронов уменьшается, и они оттягиваются из зоны, где EMBED Equation.3 отдает им энергию бегущей замедленной волны. Средняя скорость дрейфа при этом сохраняется, синхронизм не нарушается, и электроны, сгруппированные в зоне торможения, дрейфуют приближаясь к аноду по показанным на рисунке линиям, перпендикулярным суммарному электрическому и постоянному магнитному полю. Работа, совершаемая над электронами постоянным анодным электрическим полем, на каждом витке трохоиды отдается в энергию бегущей электромагнитной волны. Таким образом, поперечное поле волны EMBED Equation.3 обеспечивает группировку, а продольное EMBED Equation.3 забирает лишнюю кинетическую энергию. В результате, электроны (в среднем) теряют только всю потенциальную энергию относительно потенциала анода, и из этих соображений не трудно оценить КПД ЛБВ-М, зная всю сообщаемую электронам энергию, и долю, отдаваемую ими СВЧ полю: EMBED Equation.3 .

На входе в замедляющую систему электроны имеют сумму кинетической и потенциальной энергии EMBED Equation.3 . Кинетическая энергия, связанная со скоростью дрейфа, в среднем не меняется, и при ударе электрона в анод теряется в виде тепла. Электрон расходует на раскачку СВЧ поля свою потенциальную энергию EMBED Equation.3 , где EMBED Equation.3 — потенциал в точке влета — при достижении анода он становится равным нулю. Поскольку эммитирующий электроны катод, и отрицательный электрод замедляющей системы находятся под одинаковым потенциалом, кинетическая энергия, приобретенная электроном в системе инжекции равна EMBED Equation.3 , и электронный EMBED Equation.3 . Потенциал в точке влета линейно зависит от координаты y: EMBED Equation.3 . Поэтому EMBED Equation.3 , а координата высоты точки влета EMBED Equation.3 . Таким образом, КПД тем больше, чем ближе к катоду и отрицательному электроду ввод электронов в замедляющую систему, то есть чем сильнее магнитное поле. Но, при приближении ленточного пучка к гладкому отрицательному электроду, уменьшается до нуля продольная составляющая электрического поля замедленной волны, и соответственно, уменьшается сопротивление связи, а с ним и коэффициент усиления. Поэтому на практике КПД у ЛБВ-М и ЛОВ-М имеет величину 30%-50%, — в 2-3 раза выше чем у приборов О-типа. Для примера параметры одной ЛБВ-М: средняя длина волны 3.5 см, мощность 1.5 кВт, EMBED Equation.3 , Ку = 24дБ, КПД 30%.

Рассмотрим подробнее некоторые из СВЧ – приборов “М типа”.

2 Усилитель бегущей волны типа М

2.1 Отличие от ЛБВ типа О

В ЛБВ типа М, в отличие от ЛБВО, существуют две существенные особенности:

1) наиболее благоприятное взаимодействие электронов с бегущей волной и передача энергии от электронов к полю происходят при точном равенстве средней скорости электронов и фазовой скорости волны ( EMBED Equation.3 ). Напротив, для передачи энергии от электронов к полю в ЛБВ типа О требуется, чтобы электроны двигались чуть быстрее.

2) в ЛБВ-О электроны отдают полю только избыточную HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F» \o «Кинетическая энергия» кинетическую энергию, соответствующую разности скоростей электронов и волны. КПД ограничен допустимой разностью этих скоростей. Энергия, передаваемая полю, берется от источника ускоряющего напряжения U0. В ЛБВМ же кинетическая энергия электронов не меняется, а полю передается HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F» \o «Потенциальная энергия» потенциальная энергия электронов.

2.2 Принципиальная схема ЛБВ типа М, общее описание

Устройство усилительной лампы бегущей волны (ЛБВ) типа М показано на рис. 3

Рис. 3 ЛБВ типа М

Электронный поток, эмиттируемый катодом, под действием поля управляющего электрода и внешнего магнитного поля, движется по циклоидальной траектории и затем вводится в пространство взаимодействия, образованное замедляющей системой и основанием. В дальнейшем траектория пучка близка к прямолинейной. Высокочастотный сигнал поступает через согласованный вход СВЧ и распространяется вдоль замедляющей системы. Если скорость дрейфа электронов подобрана равной фазовой скорости волны в системе, то пучок отдает потенциальную энергию волне, и последняя увеличивает свою амплитуду. Через согласованный выход СВЧ, мощность поступает в нагрузку. В процессе взаимодействия электроны отдают свою энергию ВЧ полю и поднимаются к аноду (замедляющая система). Та часть электронов, которая не попала на замедляющую систему, выводиться на коллектор. Для предотвращения самовозбуждения усилителя, вход и выход замедляющей системы развязаны локальным поглотителем.

Схема распределения напряжений такова. Катод находится под нулевым потенциалом, основание имеет отрицательный или нулевой потенциал, управляющий электрод и замедляющая система находятся под различными положительными потенциалами, относительно катода. Коллектор имеет положительный потенциал.

2.3 Усиление ЛБВ типа М

В линейной теории, при пренебрежении пространственным зарядом, в условиях холодного синхронизма ( EMBED Equation.3 ) , показано [1], что поле вдоль оси лампы меняется следующим образом:

EMBED Equation.3 (10)

Поле представляет собой сумму двух парциальных горячих волн (одна с растущей амплитудой, другая с падающей амплитудой), распространяющихся в прямом направлении вдоль оси z.

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Где EMBED Equation.3 — фазовая постоянная, EMBED Equation.3 — параметр усиления, EMBED Equation.3 — ток, EMBED Equation.3 — половина напряжения на замедляющей системе, EMBED Equation.3 — циклотронная частота, EMBED Equation.3 — волновое сопротивление замедляющей системы, EMBED Equation.3 — скорость невозмущенных электронов, EMBED Equation.3 — фазовая скорость волны в “холодной” системе. Учитывая, что EMBED Equation.3 и вводя электрическую длину лампы EMBED Equation.3 , получим:

EMBED Equation.3 (11)

Или в децибелах

EMBED Equation.3 (12)

В [1] показано, что при больших длинах лампы, коэффициент усиления можно записать так:

EMBED Equation.3 (13)

В общем случае, при наличии рассинхронизма EMBED Equation.3 , коэффициент усиления представим в виде

EMBED Equation.3 (14)

где А – начальные потери на образование нарастающей (горячей) волны. В режиме холодного синхронизма, входной сигнал расщепляется на два одинаковых парциальных сигнала и усиливается фактически лишь половина входного сигнала. EMBED Equation.3 — фактор усиления.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рассмотренное в [1] линейное приближение применимо для малых уровней входного сигнала. Но в приборах со скрещенными полями усиление малых сигналов затруднительно, из-за высокого уровня собственных шумов, вследствие паразитных колебаний в области формирования электронного луча, а также взаимодействия электронов с отраженной волной. В большинстве приборов HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%9E%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D1%81%D0%B8%D0%B3%D0%BD%D0%B0%D0%BB_-_%D1%88%D1%83%D0%BC&action=edit» \o «Отношение сигнал — шум» отношение мощности полезного сигнала к мощности шумов не превышает 40 дБ. Поэтому необходим нелинейный анализ таких устройств.

Приведем основные результаты нелинейной теории ЛБВ типа М, полученные в [2] для параметра рассинхронизма b=0.

Вычисление выходной мощности и кпд производится на основе известных выражений:

EMBED Equation.3 (15)

Где EMBED Equation.3 — амплитуда СВЧ напряжения на конце замедляющей системы.

EMBED Equation.3 (16)

Где EMBED Equation.3 — вспомогательная амплитудная функция, а EMBED Equation.3 — нормализованная длина. На конце замедляющей системы EMBED Equation.3 , на входе EMBED Equation.3 . Тогда из (15) и (16) нетрудно получить:

EMBED Equation.3 (17)

Уровень входного сигнала в децибелах, относительно величины EMBED Equation.3 , равен:

EMBED Equation.3 (18)

На рис. 6 приведены кривые EMBED Equation.3 при изменении q от 0 до 10 для значений D=0.1, b=0, K=-30, EMBED Equation.3 , отношение удвоенной толщины пучка, к расстоянию между замедляющей системой и основанием 0.1, EMBED Equation.3 — параметр расталкивания для электронного пучка бесконечного сечения равный 0 при отсутствии влияния объемного заряда, и 0.5 при значительном его влиянии, EMBED Equation.3 — плотность потока электронов.

SHAPE \* MERGEFORMAT

В начале амплитуда волны слабо меняется, затем темп изменения амплитуды увеличивается. В этом случае электроны начинают достигать поверхности замедляющей системы и, двигаясь в сильном поле, интенсивно обмениваться энергией с волной, резко увеличивая амплитуду последней. При дальнейшем движении, электроны пучка выходят на анод, и темп изменения амплитуды резко падает. И амплитуда стремиться к постоянной величине.

Как видно из Рис.6, влияние объемного заряда уменьшает влияние нормализованной амплитуды, и требуется дополнительное увеличение нормализованной длины q для получения того же значения величины нормализованной амплитуды.

Объемный заряд, также влияет на коэффициент усиления G и на К.П.Д. с увеличением EMBED Equation.3 , наблюдается небольшое увеличение коэффициента усиления, и значительное падение К.П.Д.



Особенности механизма насыщения в лучевых приборах М типа, приводят к своеобразной зависимости коэффициента усиления от входного сигнала рис. 7.

SHAPE \* MERGEFORMAT

При малых входных сигналах пучок группируется слабо, деформации пучка малы, и пучок движется вдали от замедляющей структуры, где мала амплитуда замедленного поля. Поэтому взаимодействие электронов с полем волны слабо и коэффициент усиления невелик. С ростом входного сигнала группировка электронов возрастает, электроны приближаются к замедляющей системе и движутся в области сильного высокочастотного поля, мощность взаимодействия, выходной сигнал и коэффициент усиления возрастают. Рост выходного сигнала длится до тех пор, пока электроны не начнут выходить на анод в конце замедляющей системы. В этом случае осуществляются оптимальные условия взаимодействия пучка и поля, и коэффициент усиления достигает максимального значения. Дальнейший рост входного сигнала не приводит к увеличению выходной мощности, и коэффициент усиления начинает падать.

2.4 Применение ЛБВ типа М

Полоса рабочих частот в усилителях на ЛБВМ достигает 30 % от средней рабочей частоты и определяется дисперсионной характеристикой замедляющей системы. Высокий уровень собственных шумов исключает возможность применения ЛБВМ для усиления маломощных сигналов. Основное применение эти приборы нашли в качестве мощных импульсных выходных усилителей в дециметровом и сантиметровом диапазоне длин волн. 3 Усилитель обратной волны типа М

3 Лампа обратной волны типа М

3.1 Принципиальная схема ЛОВ типа М, общее описание

Лампа обратной волны типа М представляет собой усилитель, или генератор бегущей волны, в котором электронный пучок взаимодействует с обратной пространственной гармоникой замедляющей системы. При этом, поскольку скорость электронов по величине и направлению совпадает с фазовой скоростью обратной гармоники, групповая скорость направлена навстречу движению пучка, что обеспечивает существование положительной обратной связи.

Рис. 8

Схематическое изображение ЛОВ типа М

Если ток луча (пучка электронов) достаточно велик (больше пускового), система оказывается электрически неустойчивой и склонна к самовозбуждению, на частоте, определяемой скоростью электронов. При изменении ускоряющего напряжения меняется скорость электронов и, следовательно, в соответствии с дисперсионной характеристикой, изменяется и генерируемая частота.

На рис. 8 схематически изображен генератор обратной волны типа М цилиндрической конструкции. Электронный пучок, эмиттируемый катодом, под действием поля управляющего электрода (анода) и магнитного поля, движется по циклоидальной кривой, и в необходимый момент вводится в пространство взаимодействия, образованное замедляющей системой и основанием. После прохождения пространства взаимодействия, электроны попадают на коллектор. Поскольку в ЛОВ СВЧ мощность распространяется навстречу движению пучка, вывод энергии расположен у катодного конца лампы. На коллекторном конце лампы расположен поглотитель, роль которого заключается в поглощении волны, отраженной от вывода энергии. В противном случае в приборе может установиться дополнительная паразитная обратная связь, что приведет к изменению пусковых условий по диапазону, и как следствие, к неравномерности частотной характеристики. Наличие паразитной обратной связи может вызвать также колебания типа прямой волны. Если вывод энергии и последующий за ним тракт согласованы идеально, поглощающая нагрузка на коллекторном конце не нужна. Если вместо поглощающей нагрузки поместить ввод энергии и работать при токах ниже пускового, лампа превращается в регенеративный усилитель.

Схемы распределения напряжений в ЛБВ и ЛОВ типов М аналогичны. Группировка электронов и процесс образования переменного тока, а также взаимодействие электронов с СВЧ полем происходит у ЛОВ таким же образом, как и в усилителе прямой волны. Поперечное СВЧ поле осуществляет группировку электронов в тормозящей фазе поля. Энергия электронов преобразуется за счет продольного компонента. Энергия электронов преобразуется за счет продольного компонента СВЧ поля. Электроны, передающие энергию полю, теряют свою потенциальную энергию, и приближаются к замедляющей системе, сохраняя продольную скорость постоянной, и в среднем равной EMBED Equation.3 . Таким образом, ЛОВ типа М присущи все принципиальные особенности, характерные для приборов со скрещенными полями: взаимодействие при полном синхронизме, передача потенциальной энергии и как следствие высокий КПД. Кроме того ЛОВ типа М обладает важным в практическом отношении свойством, отличающим ее от приборов типа О, — так называемой “линейностью” частотной характеристики. В приборах типа О скорость электронов, а следовательно, и частота пропорциональны EMBED Equation.3 , т. е. являются нелинейной функцией ускоряющего напряжения. В приборах типа М скорость электронов пропорциональна EMBED Equation.3 , т. е. частота, если работать в линейном участке дисперсионной кривой, будет являться линейной функцией ускоряющего напряжения. Во всяком случае, при прочих равных условиях в ЛОВ типа М тот же диапазон электронной перестройки осуществляется значительно меньшим изменением напряжения, что является немаловажным для практического использования. В [1] проводится расчет основных характеристик ЛОВ типа М плоского варианта. Учет цилиндричности конструкции не вносит принципиальных изменений в теорию.

3.2 Пусковые условия в генераторе обратной волны типа М

Если заданы длина лампы и ускоряющее напряжение, то анализ пусковых условий ЛОВ должен дать ответ на два основных вопроса: при каком токе возникнут колебания и какая при этом установиться частота. Линейный анализ, проведенный в [1] дает следующие результаты. В лампе обратной волны может возбудиться только такая “горячая” волна, которой соответствует “холодная” волна с фазовой скоростью, равной скорости пучка, т. е. при полном синхронизме (b=0). При этом генерация возможна не при любых значениях параметров, т. е. появляются зоны генерации:

EMBED Equation.3 (19)

где n=1, 2, 3, … — номер области возбуждения. Поле в любом сечении, имеет вид:

EMBED Equation.3 (20)

где L – длинна лампы, а z – расстояние от выходного конца лампы. Амплитуда поля распределена вдоль лампы по косинусоидальному закону, причем, характер распределения амплитуды поля в лампе, зависит от номера области возбуждения. Но при этом для любого вида колебаний фазовая постоянная распространения полного поля EMBED Equation.3 одинакова для всех зон генерации. Т. е. скорость распространения полного поля при любом виде колебаний одна и та же и равна средней скорости пучка. Таким образом, любому виду колебаний соответствует одна и та же генерируемая частота.

Рассмотрим, теперь, вопрос о пусковом токе в ЛОВ типа М. Для этого воспользуемся условием (19), подставляя в него выражение EMBED Equation.3 .

EMBED Equation.3 (21)

Для первой области

EMBED Equation.3 (22)

и для высших областей

EMBED Equation.3 (23)

Эти результаты были получены без учета пространственного заряда. Учет этого заряда настолько усложняет картину полного поля в ЛОВ, что исследование пусковых условий в аналитической форме становится невозможным и может быть проведено в частных случаях путем численного расчета.

3.3 Усилитель обратной волны типа М

Если к коллекторному концу ЛОВ, находящейся в достартовом режиме, подвести небольшой высокочастотный сигнал, ЛОВ превратиться в усилитель обратной волы (УОВ). Такой усилитель обладает рядом ценных свойств:

наличие положительной обратной связи обеспечивает высокий коэффициент усиления;

усилитель достаточно узкополосен, причем ширина полосы усиления может изменяться электронным способом;

усилитель перестраивается электронным способом в широком диапазоне частот, обусловленном полосой пропускания системы.

В [1] показано, что коэффициент усиления однокаскадного УОВ, в децибелах равен:

EMBED Equation.3 (24)

А полоса пропускания усилителя:

EMBED Equation.3 (25)

где EMBED Equation.3 — частота, соответствующая синхронизму (b=0). А EMBED Equation.3 — изменение параметра синхронизма, в пределах которого G падает на 3 EMBED Equation.3 .

Серьезным недостатком однокаскадного усилителя обратной волны является то обстоятельство, что большие коэффициенты усиления могут быть достигнуты при токах луча (потока электронов), близких к пусковому. Это приводит к нестабильной работе УОВ, особенно при попытках перестройки в широком диапазоне частот. Другим отрицательным свойством УОВ является возможность паразитной обратной связи из-за отражения во входном и выходном трактах.

Недостатки УОВ могут быть в значительной степени ликвидированы при использовании двухкаскадного усилителя обратной волны (КУОВ) рис.9. SHAPE \* MERGEFORMAT

Здесь входной сигнал EMBED Equation.3 поступает на вход первого каскада и модулирует электронный пучок. В процессе взаимодействия с пучком сигнал усиливается и рассеивается на локальном поглотителе, расположенном в начале первого каскада. Сгруппированный электронный пучок поступает на вход второго каскада и наводит в нем СВЧ поле EMBED Equation.3 . Отношение выходного сигнала EMBED Equation.3 к EMBED Equation.3 представляет собой коэффициент усиления КУОВ. Схема работает при токах меньше пускового, и при снятии входного сигнала выходной сигнал исчезает. Анализ КУОВ дает следующее выражение для коэффициента усиления [1]:

EMBED Equation.3 (26)

Построим зависимость коэффициента усиления G от EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 в простейшем случае двух одинаковых каскадов: EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 , для различных значений нормированного тока EMBED Equation.3 , рис. 10.

SHAPE \* MERGEFORMAT

3.4 Применение ЛОВ типа М

ЛОВ применяются в широкодиапазонных сигнал — и свип-генераторах для радиотехнических измерений и радиоспектроскопии, в гетеродинах быстро перестраиваемых приёмников, в задающих генераторах передатчиков с быстрой перестройкой частоты. Современные генераторы на ЛОВ типа М способны обеспечивать выходную мощность в непрерывном режиме порядка десятков киловатт в дециметровом и единиц киловатт в сантиметровом диапазонах. В настоящее время они являются самыми мощными генераторами СВЧ колебаний с электронной перестройкой частоты.

Синхронизированные генераторы на ЛОВ типа М обладают высокой стабильностью частоты и низким уровнем шумов, что позволяет их использование в системах связи с частотной модуляцией.

4 Магнетрон

4.1 Устройство магнетрона и принцип работы

Принципиальная схема магнетрона представлена на рис.11

рис.11

Принципиальная схема магнетрона.

1. анодный блок резонаторов, 2. резонатор, 3. катод, 4. связки,

5. вывод энергии, 6. петля связи, 7. ламель.

Магнетрон состоит из HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D0%BE%D0%B4» \o «Анод» анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющих роль объёмных HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80» \o «Резонатор» резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0&action=edit» \o «Колебательная система» колебательную систему. Соосно анодному блоку закрепляется цилиндрический HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%B4» \o «Катод» катод. Внутри катода закреплён подогреватель. HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5» \o «Магнитное поле» Магнитное поле, параллельное оси прибора, создается внешними HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82» \o «Магнит» магнитами или электромагнитом. Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля, закреплённая в одном из резонаторов, или отверстие из резонатора наружу цилиндра. 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 определенных 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.

Рассмотрим принцип работы магнетрона. Электроны HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BC%D0%B8%D1%81%D1%81%D0%B8%D1%8F» \o «Термоэлектронная эмиссия» эмиттируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещенных электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BF%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%BA%D0%BB%D0%BE%D0%B8%D0%B4%D0%B0» \o «Эпициклоида» эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по внутренней поверхности окружности большего радиуса). При достаточно сильном магнитном поле электрон, движущийся по этой кривой не может достичь анода, при этом говорят, что произошло магнитное запирание. В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов ( HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D1%88%D1%83%D0%BC» \o «Дробовой шум» дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения уменьшается и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона увеличивается и он получает возможность достигнуть анода. Поскольку электрическое поле анод катод совершает положительную работу только если электрон достигает анода, энергия всегда передаётся в основном от электронов к электромагнитной волне. Однако, если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг анода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находится непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с СВЧ полем и фазовая фокусировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и возможность получения больших мощностей.

4.2 Применение магнетронов

В HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B0%D1%80» \o «Радар» радарных устройствах волновод подсоединен 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 HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B5_%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5» \o «Микроволновое излучение» микроволновой энергии. Небольшая порция этой энергии отражается обратно антенне и волноводу, где она направляется к чувствительному приемнику. После дальнейшей обработки сигнала он, в конце концов, появляется на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) в виде радарной карты. Также магнетроны используются в микроволновых печах

5 Список использованной литературы

Стальмахов В. С. Основы электроники сверхвысокочастотных приборов со скрещенными полями. – М.: Советское радио, 1963.

Кацман Ю. А. Приборы СВЧ М.: Высшая школа, 1983

Пилан А. М. Лекции имени Шехтмана по радиофизике (www. ft-2x.nm.ru/Pilan/Pilan.html)

PAGE

PAGE 2

-2 -1 0 1 2 b



Страницы: 1 | 2 | Весь текст