Приборы М-типа с разомкнутой ЗС и разомкнутым электронным пучком

Реферат

Содержание

1. Устройство и принцип работы лампы бегущей волны типа М (ЛБВМ)

2 Путь построения теории ЛБВМ

3. Характеристики и параметры ЛБВМ

4. Устройство и принцип работы ЛОВМ

5. Пусковые условия в ЛОВМ

6. Параметры и характеристики генераторной ЛОВМ

Литература

1. Устройство и принцип работы лампы бегущей волны типа М (ЛБВМ)

По конструкции ЛБВМ делятся на плоские и цилиндрические. Рассмотрим плоскую конструкцию (рис 1).

Рис 1

Лампа имеет две основные части: инжектирующее устройство и пространство взаимодействия. Инжектирующее устройство состоит из катода 2 и управляющего электрода 3 , обеспечивающих создание ленточного электронного потока 1 и ввод его в пространство взаимодействия. Электроны, вылетевшие из катода в скрещенных полях Еу и В двигаются по циклоидам. Подбираются такие условия, чтобы электроны в момент входа в пространство взаимодействия находился на вершине циклоиды. В этой точке имеется только горизонтальная составляющая скорости

Пространство взаимодействия образованно верхним электродом (ЗС) 4 и нижним электродом 5 (холодным катодом). Когда начальная скорость электронов в пространстве взаимодействия направлена параллельно электродам и равна переносной скорости

траектория электрона будет прямолинейной. При отсутствии СВЧ поля электроны должны попадать на коллектор СВЧ сигнал подводится через согласованный вход ЗС 6, а выводится через выходное устройство 7. Если фазовая скорость волны Vф, равна переносной скорости электронов Vп, то в пространстве взаимодействия происходит увеличение энергии СВЧ поля в результате уменьшения потенциальной энергии электронов. Для предотвращения самовозбуждения имеется поглотитель 9. Процесс взаимодействия похож на процесс в магнетроне. Под действием поперечной составляющей СВЧ поля происходит группирование электронов в области максимума тормозящего поля волны. Продольная составляющая тормозящего СВЧ поля заставляет электроны смещаться вверх к аноду, где эффективность взаимодействия увеличивается. Продольная составляющая ускоряющего СВЧ поля, наоборот, смещает электроны вниз, где эффективность взаимодействия уменьшается.

Электронный поток, входящий в пространство взаимодействия имеет определенную толщину . Верхние электроны испытывают воздействие более сильного СВЧ поля, чем нижние. Поэтому смещение электронов на верхней границе всегда больше, чем на нижней, поэтому сечение пучка пульсирующее: оно в тормозящем поле увеличивается, а в ускоряющем - уменьшается.

Рис 2

Расчеты показывают, что в приборах типа М, несмотря на группирование электронов в тормозящем поле, объемная плотность электронного пучка остается постоянной, так как одновременно с продольным группированием происходит увеличение сечения пучка. В конце пути электроны попадут на коллектор. Однако если амплитуда СВЧ сигнала велика, электроны могут попасть раньше на положительную замедляющую систему. Эти электроны отдают максимально свою потенциальную энергию СВЧ полю. Линейная связь выходного и входного сигналов наблюдается до тех пор, пока электроны не начнут вблизи коллектора попадать на ЗС. С дальнейшим повышением мощности входного сигнала все большее число электронов попадает на ЗС, причем точка начала попадания смещается влево. В этом случае замедляется рост выходной мощности, а коэффициент усиления ЛБВМ начинает уменьшаться и происходит переход в режим насыщения.

2 Путь построения теории ЛБВМ

Линейная теория ЛБВМ строится в три этапа:

Продольная составляющая электрического СВЧ поля считается заданной и определяется конвекционный ток (приближение заданного поля).
Переменная составляющая конвекционного тока считается заданной и определяется СВЧ поле, создаваемое в замедляющей системе наведенным током (приближение заданного тока).
Полученные уравнения решаются совместно. Путем исключения СВЧ поля и СВЧ тока получается так называемое характеристическое уравнение относительно коэффициента распространения волны в ЗС с учетом взаимодействия с электрическим полем. Такие решения называются самосогласованными.

В общем случае с учетом влияния пространственного заряда характеристическое уравнение является кубическим, т.е. процесс взаимодействия характеризуется тремя парциальными волнами.

Примем ряд упрощающих предположений:

- пренебрежем влиянием пространственного заряда;

- пренебрежем «холодными» потерями в ЗС;

- поток электронов является тонким.

В этом случае продольное электрическое поле можно описать суммой двух волн:

где Е1(0) и Е2(0)- начальные или входные амплитуды парциальных волн с постоянными распространения Г1 иГ2;

; ;

где:

-параметр усиления;

- постоянный ток электронного пучка; - сопротивление связи, устанавливающее связь продольной составляющей поля Ezp рабочей пространственной гармоники с подводимой к ЗС мощностью Р; - фазовая постоянная распространения гармоники р; Rсв- зависит только от конфигурации ЗС и может быть определена экспериментально при холодных измерениях ЗС.

, - расстояние от основания до оси пучка;

и - корни характеристического уравнения

где:

- параметр «холодного» рассинхронизма, характеризующий разницу в скоростях невозмущенной («холодной») волны и электронного пучка.

Граничные условия при z=0

;

и аналогично .

Очевидно, что при корни и являются комплексными числами:

Подставляя в характеристическое уравнение получим:

; .

Посмотрим как зависят x и y от параметра «холодного» рассинхронизма b (рис 3):

- при ; ;

- при b=0; ; ;

- при синхронизме b=0.

;;.

При этом:

или:

Полное поле является волной, движущейся со скоростью электронного потока ve, амплитуда которой возрастает вдоль ЗС по закону гиперболического косинуса.

Так как вторая волна Г2 затухает по длине ЗС, при достаточно большой длине ЗС ей можно пренебречь

Рис 3

3. Характеристики и параметры ЛБВМ

Коэффициент усиления максимален при синхронизме (b=0).

где: ; -длина замедленной волны; - электрическая длина лампы.

;

в дБ: .

Начальные потери за счет деления входного сигнала на две волны –6дБ. Коэффициент усиления возрастает с ростом длины лампы N и параметра усиления D. При усиление отсутствует.

Коэффициент усиления может составлять 30-50дБ. Однако условия достижения высокого к.п.д. и большого коэффициента усиления несовместимы. При компромиссе к.п.д. 40-60% G=20-25дБ.

Электронный к.п.д.

Электрон, вылетая из катода, имеет потенциальную энергию eU0 . Однако не все изменение потенциальной энергии идет на увеличение энергии СВЧ поля. Для выполнения условия синхронизма начальная скорость электрона при влете, а пространство взаимодействия должна быть равна Ve=Vф. Кинетическая энергия при этой скорости

Рост кинетической энергии обуславливает уменьшение потенциальной энергии на величину: .

Величина Uc соответствует потенциалу точки влета электрона в пространство взаимодействия и называется потенциалом синхронизации. Потенциальная энергия, передаваемая СВЧ полю равна eU0-eUc, поэтому электронный к.п.д.

При синхронизме Ve=Vф,и:

где: .

Подставляя значения m, c, и е, получим

При увеличении Кзам и U0 происходит рост электронного к.п.д. Принципиальных ограничений для роста к.п.д. в ЛБВМ нет. Однако при росте необходимо одновременно пропорционально увеличивать магнитную индукцию В, чтобы не нарушалось условие синхронизма.

Для повышения к.п.д. при заданном U0 требуется брать меньшее значение Uс, т.е. вводить электронный поток ближе к основанию (холодному катоду). Однако напряженность СВЧ поля резко уменьшается при удалении от ЗС. Поэтому при приближении электронного потока к холодному катоду для получения прежнего группирования потребуется больший входной сигнал, что снизит коэффициент усиления. При большом входном сигнале к.п.д. может быть высоким(50-60)%.

Амплитудная характеристика

при (рис 4.)

При увеличении входного сигнала выходная мощность возрастает и достигает насыщения при некотором значении входного сигнала.

Рис. 4

Увеличение тока пучка I0 при Рвх=const приводит к пропорциональному росту выходной мощности, так как увеличивается энергия, отдаваемая электронным пучком полю. Увеличение амплитуды поля улучшает группировку электронов и увеличивает пульсации границ пучка. При переходе в режим насыщения пульсации границ достигают ЗС и все большее число электронов попадает на ЗС.

ЛБВМ непрерывного режима имеют выходную мощность до нескольких киловатт и к.п.д. 40%, у импульсных ЛБВМ - мощность несколько мегаватт и к.п.д. 60% и более.

Амплитудно-частотная характеристика.

При фиксированном значении U0 ЛБВМ имеет более широкую полосу частот усиления, чем ЛБВО. Из-за влияния пространственного заряда отдельные слои пучка движутся с разными скоростями скользят друг относительно друга. С изменением частоты может быть выполнено условие синхронизма для электронов других слоев, движущихся медленнее или быстрее осевого

Недостаток ЛБВМ - высокий коэффициент шума (20-25) дБ. Поэтому ЛБВМ применяются как мощные выходные усилители дециметрового и сантиметрового диапазона.

Цилиндрическая конструкция ЛБВМ имеет вид рис 5.

Рис. 5

4. Устройство и принцип работы ЛОВМ

Лампа обратной волны типа М представляет собой усилитель, или генератор бегущей волны, в котором электронный пучок взаимодействует с обратной пространственной гармоникой замедляющей системы. Поскольку скорость электронов по величине и направлению совпадает с фазовой скоростью обратной гармоники, групповая скорость направлена навстречу движения пучка, что обеспечивает существование положительной обратной связи. Если ток пучка достаточно велик (больше пускового) система самовозбуждается на частоте определяемой скоростью электронов.

При изменении напряжения меняется скорость электронов и в соответствии с дисперсионной характеристикой изменяется частота колебаний. Устройство аналогично устройству ЛБВМ (рис. 6). Вывод энергии расположен у катодного конца ЗС. У коллекторного конца ЗС расположен поглотитель, поглощающий волну отраженную от выхода. В противном случае в приборе появится дополнительная обратная связь, что приведет к неравномерности частотной характеристики. Если вместо поглотителя поместить ввод энергии и работать при токах, меньших пускового, прибор превращается в регенеративный усилитель.

Рис. 6

Важным качеством ЛОВМ является линейность частотной характеристики, так как . Дисперсионное уравнение ЛОВМ аналогично по форме .

Решения этого уравнения .

Если считать д=х+jy, то х1,2=0; .

Таким образом при отсутствии пространственного заряда полное поле в ЗС представляется суммой двух волн постоянной амплитуды(х1=х2=0) и движущихся с различными скоростями у1у2. Электрическое поле в ЗС определяется суммой волн

Рис 7

5. Пусковые условия в ЛОВМ

Проведем анализ пусковых условий в упрощенном случае без учета влияния пространственного заряда.

Пусть длина ЗС равна L. Тогда электрическое поле в конце ЗС

-для автогенератора, так как в конце ЗС находится поглотитель.

Из уравнения .

Учитывая, что д1,2=jy1,2 получим

Поскольку является вещественным числом

; .

Если b=0;

Учитывая это, можно заключить, что m должно быть не просто целым, но и нечетным числом.

где n-номер зоны генерации.

Начальные амплитуды: .

Таким образом, амплитуда электрического поля в ЛОВМ вдоль ЗС зависит от номера области возбуждения n (рис 8).

; ; ; .

Рис. 8

С ростом номера зоны генерации пусковой ток возрастает для n=2 в 9 раз, для n=3 в 25 раз. Если не учитывать влияние пространственного заряда, то фазовая скорость и частота одинаковы для всех зон. При учете влияния пространственного заряда частоты генерации в разных зонах различны. При большом токе пучка возможна генерация колебаний в нескольких зонах и возможно появление комбинационных частот. Многочастотность является существенным недостатком при работе при больших токах.

6. Параметры и характеристики генераторной ЛОВМ

Выходная мощность и электронный к.п.д.(рис 9)

Рис 9

, где А - некоторый коэффициент. В непрерывном режиме в дециметровом диапазоне Рвых - десятки кВт; в сантиметровом- сотни Вт; в миллиметровом- десятки Вт; К.п.д. 50-60%.

Электронная перестройка частоты (рис 10).

Рис 10

Линейность электронной перестройки частоты является важным достоинством ЛОВМ.

Литература

Розум, Т.Т. Сборник задач по электротехнике и электронике: Учебное пособие / Ю.В. Бладыко, Т.Т. Розум, Ю.А. Куварзин; Под общ. ред. Ю.В. Бладыко. - Мн.: Вышэйшая шк., 2012. - 478 c.

Сидоров, И.Н. Электроника дома и в саду / И.Н. Сидоров. - М.: Радио и связь, 2001. - 144 c.

Синдеев, Ю.Г. Электротехника с основами электроники: Учебное пособие для профессиональных училищ, лицеев и колледжей / Ю.Г. Синдеев. - Рн/Д: Феникс, 2010. - 407 c.

Синдеев, Ю.Г. Электротехника с основами электроники: Учебное пособие для профессиональных училищ, лицеев и колледжей / Ю.Г. Синдеев. - Рн/Д: Феникс, 2013. - 407 c.

Славинский, А.К. Электротехника с основами электроники: Учебное пособие / А.К. Славинский, И.С. Туревский. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 448 c.

Ткаченко, Ф.А. Техническая электроника / Ф.А. Ткаченко. - Минск: Дизайн ПРО, 2002. - 368 c.

Умрихин, В.В. Физические основы электроники: Учебное пособие / В.В. Умрихин. - М.: Альфа-М, НИЦ ИНФРА-М, 2012. - 304 c.

Фрике, К. Вводный курс цифровой электроники / К. Фрике. - М.: Техносфера, 2002. - 428 c.

Черномырдин, А.В. Видеокурс: Семь шагов в электронику / А.В. Черномырдин. - СПб.: НиТ, 2012. - 160 c.

Чикуров, Т.Г. Электротехника и электроника. В 2-х т.Электротехника и электроника: Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / Т.Г. Чикуров. - М.: ИЦ Академия, 2011. - 720 c.

Шишкин, Г.Г. Наноэлектроника. Элементы, приботы, устройства: Учебное пособие / Г.Г. Шишкин, И.М. Агеев. - М.: БИНОМ. ЛЗ, 2012. - 408 c.

Шогенов, А.Х. Электроника / А.Х. Шогенов, Д.С. Стребков. - М.: Радио и связь, 2011. - 488 c.

Щука, А.А. Наноэлектроника: Учебное пособие / А.А. Щука; Под ред. А.С. Сигов. - М.: БИНОМ. ЛЗ, 2012. - 342 c.

Щука, А.А. Электроника / А.А. Щука. - СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 752 c.

Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. - М.: Высшая школа, 1986.

Приборы М-типа с разомкнутой ЗС и разомкнутым электронным пучком