4. приборы свч с кратковременным взаимодействием модулированного электронного пучка с полем свч


Скачать 158.67 Kb.
Название4. приборы свч с кратковременным взаимодействием модулированного электронного пучка с полем свч
Дата публикации08.12.2013
Размер158.67 Kb.
ТипДокументы
referatdb.ru > Математика > Документы
ТЕМА 4. ПРИБОРЫ СВЧ С КРАТКОВРЕМЕННЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ МОДУЛИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА С ПОЛЕМ СВЧ
4.1. Двухрезонаторный усилительный пролетный клистрон.
Основными элементами являются – источники питания, катод, ускоряющий электрод, входной резонатор (модулятор) с устройством ввода сигнала, трубка дрейфа, выходной резонатор с устройством вывода сигнала из усилителя, коллектор, стеклянный вакуумный баллон, фокусирующая магнитная система. Схема усилителя имеет вид:

На катод обычно подается отрицательное напряжение, а УЭ, резонаторы и коллектор заземлены.

^ Назначение элементов:

Катод и УЭ образуют электронную пушку, с помощью которой формируется поток электронов необходимой интенсивности и формы. Интенсивность обеспечивается ускорением электронов в промежутке между катодом и ускоряющим электродом, к которому приложено постоянное напряжение. Форма пучка определяется формой эмиттера и бывает кольцевой, цилиндрической и полосковой. На входной резонатор подается подлежащий усилению сигнал, под действием которого происходит скоростная модуляция электронного потока. Поэтому он еще называется модулятором и настроен на частоту усиливаемого сигнала. Второй резонатор также настроен на частоту усиливаемого сигнала и предназначен для отбора энергий электронов. Поэтому он ещё называется улавливателем и содержит устройство вывода возбуждаемого сигнала. Между резонаторами расположена трубка дрейфа, в которой происходит группирование электронов. Диаметр трубки дрейфа выбирается таким, чтобы она была запредельным волноводом на частоте усиливаемого сигнала, и обеспечивались условия группирования электронов. Для предотвращения поперечного расталкивания электронов и удержания их на оси трубки применяются магниты, формирующие продольное постоянное магнитное поле. Коллектор предназначен для рассеяния остаточной энергии электронов. Форма и материал должны обеспечивать его охлаждение.
^ Принцип работы.

При включенных источниках напряжения и накала, выходящие из электрода электроны разгоняются в пространстве ускорения между катодом и УЭ и прилетают к первой сетке входного резонатора с примерно одинаковой скоростью. При пролете через резонатор одни электроны ускоряются, а другие тормозятся полем входного сигнала, что приводит к модуляции скорости электронов в потоке с частотой сигнала. При движении в трубке дрейфа электроны группируются. Сгруппированный электронный пучок возбуждает электромагнитные колебания в выходном резонаторе, мощность которых превосходит мощность входного сигнала, и таким образом достигается усиление сигнала.

Перейдем к более детальному анализу всех этих процессов в кинематическом и одномерном приближении.
Ускорение электронов.

Рассмотрим движение электрона в промежутке между катодом и УЭ. Будем считать, что катод находится под напряжением U0, а УЭ заземлен.



Направление движения электронов обозначим осью x с нулевой точкой на катоде. Обозначим через tK – время отрыва электрона от поверхности катода, а tЭ- время пролета через УЭ. Поскольку энергия электрона не изменяется при движении в постоянном поле, то
.
Будем считать, что у поверхности катода
, .
На ускоряющем электроде

, .

Подставляя эти значения, получаем
, .
Таким образом, источником постоянного напряжения электроны разгоняются. Их скорость увеличивается от 0 до v0. Полученная формула применяется при напряжениях до нескольких десятков кВ. При более высоких напряжениях необходимо учитывать релятивистскую поправку к кинетической энергии электрона.

.

.

Скоростная модуляция электронного потока.

Для описания этого процесса необходимо определить скорость электронов на выходе первого резонатора, на который подан входной сигнал. Выделим его из общей схемы и введем обозначения:



Через с', с" обозначим сетки резонатора. Направление движения электронов обозначим осью z с нулевой точкой в середине зазора. Ширина зазора d1. Время пролета электрона через середину зазора обозначим через t1. Тогда время пролета первой и второй сеток равно . Задано и , то есть известна одинаковая для всех электронов скорость на входе в резонатор и переменное напряжение на зазоре. Необходимо найти скорость на выходе . Для этого необходимо проинтегрировать уравнение движения:

;

;

.

Исключим из этого выражения заряд и массу электрона

, ;

.

В первом приближении

, .

, , .

Это выражение описывает скоростную модуляцию электронного потока под действием входного сигнала. Согласно этому выражению, скорость электрона на выходе из резонатора зависит от времени пролета его через резонатор, что обусловлено разными значениями напряжения в разные моменты времени. Оно может быть как ускоряющим, так и тормозящим, и, соответственно, скорость электрона может увеличиваться и уменьшаться при прохождении через резонатор. С другой стороны, в разные моменты времени t1 через резонатор пролетают разные электроны. Поэтому зависимость от времени определяет также различия в скоростях электронов в потоке при одинаковой их скорости на влете в резонатор. Максимальная разница в скоростях или глубина модуляции определяется коэффициентом взаимодействия электронов с полем первого резонатора и напряжениями u1, u0. В конечном счете, с учетом зависимости коэффициента взаимодействия от угла пролета, глубина модуляции определяется ускоряющим напряжением u1 входного сигнала, шириной зазора d1, частотой сигнала ω.
Группирование электронов.

Группирование электронов происходит при движении их в трубке дрейфа. Для наглядного представления этого процесса используется пространственно-временная диаграмма, на которой изображается зависимость координат электронов от времени. Обозначим ее z(t). Будем считать, что входной резонатор расположен в плоскости z=0, а выходной z=s. Между ними расположена трубка дрейфа. Ось z совпадает с направлением распространения электронов в трубке дрейфа. Входной сигнал создает переменное напряжение между сетками первого резонатора .



Рассмотрим и обозначим на рисунке моменты времени

, j=1, 2, 3, 4.
В эти моменты времени через резонатор пролетают электроны 1, 2, 3, 4. Они называются нулевыми и невозмущенными, поскольку напряжение на зазоре в момент их пролета равно нулю, и поэтому скорость их не изменяется и равна v0. Поля в трубке дрейфа нет. Поэтому электроны движутся равномерно:

.

На диаграмме им соответствуют четыре параллельных прямых с . Рассмотрим моменты времени t5, t6, t7 и электроны 5, 6, 7. Они попадают в ускоряющее поле. Поэтому и наклон их линий больше. Рассмотрим моменты времени t8, t9 и электроны 8, 9. Они попадают в тормозящее поле. Поэтому и наклон их линий меньше. Из диаграммы видно, что одна и та же группа электронов проходит второй резонатор за более короткий промежуток времени . Это означает, что в процессе движения в трубке дрейфа электроны объединились, и образовался сгусток электронов. Сгустки формируются возле нулевых электронов, пролетающих резонатор в момент смены тормозящего поля на ускоряющее. Вокруг других нулевых электронов плотность электронов уменьшается. Частота следования сгустков равна частоте усиливаемого сигнала.

Для количественного описания процесса группирования вычислим время пролета электрона в трубке дрейфа

.

Обычно подлежат усилению слабые сигналы.

Поэтому и можно ограничиться двумя членами разложения

:

.

Умножим на частоту:

;

- угол пролета нулевого электрона в трубке дрейфа,

- параметр группирования.
- уравнение группирования.
В этом уравнении - это фаза вылетающего электрона из первого резонатора, - это фаза прибытия его во второй резонатор. Рассмотрим зависимость .



При фаза прибытия равна углу пролета нулевого электрона в трубке дрейфа

.

Это означает, что в момент времени через первый резонатор пролетает нулевой электрон, вокруг которого формируется сгусток электронов. При идеальном группировании электроны с разными фазами вылета будут иметь одинаковую фазу прибытия, равную фазе прибытия нулевого электрона Θ. На рисунке этому случаю соответствует отрезок прямой АВ. Реальный процесс группирования описывается уравнением группирования и существенно зависит от параметра группирования.

При

.

Этой зависимости соответствует отрезок прямой с углом наклона 45°. С увеличением параметра группирования зависимость все больше отклоняется от линейной.

При в каждый момент времени во второй резонатор прибывает один электрон, вышедший из первого резонатора в некоторый момент. Существует однозначная взаимосвязь между фазой прибытия и вылета.

При взаимосвязь не является однозначной. Трем значениям фазы вылета соответствует одно значение фазы прибытия. Это означает, что через резонатор проходит одновременно 3 электрона. Изменяя значение параметра группирования, например, путем подбора длины трубки дрейфа можно управлять процессом группирования, а, следовательно, величиной конвекционного и наведенного токов, чтобы убедиться в этом, рассмотрим конвекционный ток на выходном резонаторе.
^ Конвекционный ток.
Пусть через первый резонатор проходит группа электронов с зарядом за время . Тогда

.

Аналогично среднее значение конвекционного тока во втором резонаторе равно

.

Для одной и той же группы электронов

,

.

В пределе

.

В первом резонаторе .

Вычислим из уравнения группирования

.

В результате получим исходную зависимость в параметрическом виде



Рассмотрим при .

и поэтому зависимость напряжения имеет показанный на рисунке вид
- точка перегиба.


Бесконечное значение конвекционного тока обусловлено тем, что задача решается в кинематическом приближении, то есть без учета электростатического расталкивания электронов. Его учет приводит к конечному значению амплитуды тока. Ток периодический и может быть представлен в виде суперпозиции гармоник. Предварительно введем новую переменную , относительно которой ток симметричен, и поэтому в разложении можно ограничиться косинусами:

,

.

Преобразуем подынтегральное выражение. Для этого воспользуемся формулой для конвекционного тока и уравнением группирования.



.

В новых переменных , .

,

,

,

,

,

.
^ Мощность возбуждаемых СВЧ – колебаний.
Промодулированный по плотности поток электронов возбуждает в выходном резонаторе электромагнитные колебания. При оценке мощности колебаний будем полагать, что выходной резонатор настроен на частоту усиливаемого сигнала. Поэтому высшие гармоники конвекционного тока практически не участвуют в энергообмене, и без особого ущерба для точности расчета ими можно пренебречь и учитывать только первую гармонику тока. Это позволяет заменить резонатор эквивалентным контуром, подключенным параллельно к вакуумному зазору с промодулированным электронным пучком.


Упростим схему, заменив контур эквивалентным сопротивлением, в общем случае комплексным. Однако при точной настройке резонатора на частоту первой гармоники (усиливаемого сигнала) оно имеет только активную составляющую:

,

ток и напряжение синфазны.

,

- амплитуда напряжения на зазоре;

- амплитуда наведенного тока во внешней цепи вакуумного зазора.

Мощность возбуждаемых колебаний в этом случае равна

,

- активная проводимость контура.

Учтем, что амплитуда наведенного тока равна амплитуде первой гармоники конвекционного тока, умноженной на коэффициент взаимодействия электронов с полем второго резонатора:

,

где ,

- угол пролета электронов через выходной резонатор.

Отсюда получаем

.

Зависимость мощности от параметра группирования определяется функцией Бесселя и имеет вид



Мощность максимальна при значении параметра группирования х=1.84, которое называется оптимальным значением параметра группирования.

Вычислим предельно максимальное значение мощности. Для этого в полученное выражение подставим предельные оптимальные значения параметров.

.

, , .

Р0 – это мощность, потребляемая от источника питания.
^ Электронный КПД.
Электронный КПД равен отношению мощности возбуждаемых колебаний к мощности, потребляемой от источника питания:

.

Предельно максимальное значение равно

, .

Реально .

Основным фактором понижения является электростатическое расталкивание электронов. Оно приводит к уменьшению плотности электронного сгустка и оседанию электронов на трубке дрейфа и, следовательно, к уменьшению амплитуд конвекционного и наведенного токов, мощности и . Для его ослабления необходимо использовать более сильные фокусирующие поля и дополнительные резонаторы, улучшающие группировку электронов.
Коэффициент усиления.
Коэффициент усиления равен

, .

- мощность возбуждаемых колебаний в выходном резонаторе;
- мощность СВЧ колебаний, возбуждаемых входным сигналом в первом резонаторе;
, - амплитуды напряжений на резонаторах;

, - эквивалентные проводимости резонаторов.

При слабом входном сигнале



и поэтому ,

и функция Бесселя приближенно равна

.

В этом случае



.

Коэффициент усиления не зависит от , т.е. от мощности входного сигнала. При низких значениях мощности входного сигнала .
^ Амплитудная характеристика.
Амплитудной характеристикой называется зависимость мощности возбуждаемых колебаний от мощности входного сигнала.



Поскольку при низком уровне входного сигнала не зависит от его мощности, то характеристика в этой области линейна. С увеличением она становится нелинейной, растет мощность возбуждаемых колебаний до максимального значения, а затем уменьшается. при этом уменьшается.

Таким образом, существуют две области, два режима работы усилителя: линейный с максимальным и нелинейный с максимальной выходной мощностью. Вид этой зависимости можно пояснить пространственно – временной диаграммой.



При слабом входном сигнале плотность сгустка максимальна за резонатором, а в резонатор электроны приходят недогруппированными. С увеличением мощности входного сигнала группирование улучшается и выходная мощность увеличивается. Это продолжается до тех пор, пока плотность сгустка в резонаторе не станет максимальной. При этом достигается максимум выходной мощности. При дальнейшем увеличении мощности входного сигнала сгусток формируется в трубке дрейфа, а в резонатор электроны приходят разгруппированными, и поэтому мощность выходного сигнала падает.
^ Полоса пропускания.
Полоса пропускания определяется шириной резонансной кривой объемного резонатора

, , .

КПД и можно увеличить, используя дополнительные резонаторы. Схема трехрезонаторного клистронного усилителя имеет вид


По сравнению с двухрезонаторным этот клистрон имеет дополнительно один резонатор и одну трубку дрейфа. В многорезонаторных клистронах используется принцип каскадной группировки электронов. Поступающий на первый резонатор электромагнитный сигнал создает переменное напряжение на его зазоре, под воздействием которого происходит скоростная модуляция электронного потока. Однако, поскольку сигнал слабый, глубина модуляции невелика, и к сеткам второго резонатора электроны приходят недогруппированными. Второй резонатор настроен на ту же частоту, что и первый. Он не нагружен. Поэтому даже небольшой наведенный ток будет значительное по величине переменное напряжение, дополнительно модулирующее электронный поток по скорости. Третий резонатор располагается на таком расстоянии от второго, чтобы сгустки электронов формировались в резонаторе и отдавали максимум энергии полю.

Для оценки коэффициента усиления многорезонаторного клистрона используется формула

дБ, .

При больших появляется опасность самовозбуждения клистрона через имеющуюся обратную связь между резонаторами. Это ограничивает число используемых резонаторов. За счет каскадной группировки увеличивается также выходная мощность и КПД. Многорезонаторные клистроны усовершенствованной конструкции имеют .

Рабочая полоса частот такая же, как и в двухрезонаторном клистроне.

Применяются в качестве мощных усилителей в системах тропосферной и радиорелейной связи, в наземных станциях спутниковых систем связи, в телевизионных передатчиках, в выходных каскадах РЛС, в установках промышленного нагрева.

Выходная мощность от нескольких Вт до сотен кВт. Работают в импульсном и непрерывном режимах. Охватывают диапазон от верхней части мм до нижней м. Механическая перестройка частоты составляет 20% от среднего ее значения. дБ.

^ 4.2. Умножители частоты и генераторы на двухрезонаторных пролетных клистронах..

Возможность эффективного умножения частоты в двухрезонаторном клистроне обусловлена богатым содержанием гармоник в конвекционном токе выходного резонатора.

Принципиальная схема умножителя аналогична схеме усилителя:



При использовании клистрона в качестве усилителя оба резонатора настраиваются на частоту первой гармоники конвекционного тока, которая совпадает с частотой входного сигнала. При использовании в качестве умножителя второй резонатор настраивается на одну из высших гармоник. В результате при частоте входного сигнала ω на выходе будем иметь сигнал частоты , где n – кратность умножения частоты. Входной сигнал поступает через коаксиальный ввод энергии. Второй резонатор с волноводным выводом энергии может иметь меньшие габариты, обеспечивающие повышение частоты выходного сигнала. Значение параметра группирования x, при котором функция Бесселя имеет максимум, называется оптимальным. Ему соответствует максимальное значение амплитуды n-ой гармоники конвекционного тока и, как следствие, максимум выходной мощности

,

где - коэффициент взаимодействия электронов с полем выходного резонатора на умноженной частоте, - амплитуда переменного напряжения на той же частоте. По таблице для функций Бесселя находим следующие оптимальные значения параметра группирования при разных кратностях умножения частоты.


n





2

1,6

0,49

3

1,4

0,43

4

1,25

0,35







8

1,22

0,32

10

1,2

0,30







16

1,18

0,26







24

1,09

0,24


Вычислим предельные значения при разных кратностях умножения частоты:



.

Занесем эти значения в таблицу.

Из приведенной таблицы следует:

  1. КПД медленно убывает с увеличением номера гармоники. Это дает возможность использовать двухрезонаторный клистрон вплоть до 20-ти кратного умножения частоты.

  2. С увеличением кратности умножения частоты оптимальное значение параметра группирования уменьшается, асимптотически стремясь к единице. Причем плотность этих значений увеличивается, а, следовательно, разница между соседними значениями уменьшается. Поэтому клистронный умножитель при работе на высших гармониках имеет повышенную чувствительность к расстройке параметров. Качество работы умножителя частоты оценивается потерями преобразования

,

и коэффициентом преобразования

.

- мощность сигнала на n-кратной частоте,

- мощность входного сигнала.

Двухрезонаторный клистронный умножитель имеет самый высокий коэффициент преобразования. Умножение частоты может сопровождаться усилением, при котором , а . При двадцатикратном умножении можно получать выходной сигнал с длиной волны меньше мм. Вследствие низкого КПД, несколько процентов, их выходная мощность < 1Вт. По значению КПД они уступают полупроводниковым умножителям с КПД ~80%.

Для создания генератора на основе двухрезонаторного клистрона необходимо обеспечить положительную обратную связь между выходным и входным резонаторами. Используются два варианта обратной связи: с помощью коаксиальной линии и с помощью отверстия в общей стенке резонаторов. Схема генератора с коаксиальной линией обратной связи имеет вид:


Схема генератора с отверстием связи имеет вид:



Такие генераторы выпускаются для частотных диапазонов от 5 до 40 ГГц с выходной мощностью от 1 до 10 Вт в непрерывном режиме. При этом ускоряющее напряжение составляет от 1 до 4 кВ. КПД ~10%. Используются в передатчиках радиомаяков, в РЛС для накачки параметрических усилителей, а также для различных исследований в физике.





Похожие рефераты:

2. Высокодобротные колебательные системы свч диапазона
В узкополосных приборах с кратковременным взаимодействием эп с свч полем, например, таких как клистроны, применяются высокодобротные...
Свч электроника- это область науки и техники, в пределах которой...
Гц, что соответствует длинам волн от 1м до 1 мм. Он подразделяется на поддиапазоны: дециметровый (1м-1дм), сантиметровый (1дм-1см)...
Программа вступительного экзамена по специальности 1-39 80 01 «Антенны,...
А. А. Кураев, д ф-м н., профессор, зав каф антенн и устройств свч учреждения образования «Белорусский государственный университет...
Программа вступительного экзамена по специальности 05. 12. 07 Антенны,...
Свч и квч, которые также требуют подробного их изучения. Использование пиковых мощностей порядка 3-15 гвт в мощных радиолокационных...
6. исследование лампы бегущей волны
Свч прибо­ром, предназначенным для широкополосного усиления свч сигналов. При введении положительной обратной связи лбво может быть...
Литература основная
Федоров, Н. Д. Электронные приборы свч и квантовые приборы / Н. Д. Федоров. М.: Атомиздат, 1979. 285 с
Керамические многорезонаторные малогабаритные корпуса для фильтров свч-диапазона
Диэлектрические резонаторы работоспособные до 30 ггц и керамические подложки для свч-техники
Программа вступительного экзамена по специальности 05. 12. 07 "Антенны,...
О. А. Юрцев, доктор технических наук, профессор, проф каф антенн и устройств свч учреждения образования «Белорусский государственный...
Программа вступительного экзамена по специальности 1-31 80 07 «Радиофизика»...
А. А. Кураев, д ф-м н., профессор, зав каф антенн и устройств свч учреждения образования «Белорусский государственный университет...
8. Исследование магнетрона
Многорезонаторный магнетрон представляет собой двухэлектродный свч прибор, в котором взаимодействие электронов с высокочастотным...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
referatdb.ru
referatdb.ru
Рефераты ДатаБаза