5,25 Балл

Денисов Алексей Константинович, 3205

Задание №1. Из представленного списка выберете «свой» прибор согласно правилу . Если Ваш номер превышает число 11, то Для этого прибора опишите:

• конструкцию и принцип действия, используя: классический гидродинамический подход и квантовый подход.

• «Изобретите» гибридный прибор, используя «свой» прибор и любой из представленных 11-ти.

• Оцените характерный размер области взаимодействия прибора, если он работает на частоте .

Дано: прибор – ЛБВ М-типа, f= 8 ГГц.

Найти: 1. Конструкция и принцип действия; 2. Гибридный прибор; 3. Область взаимодействия прибора.

Решение:

1. Конструкция и принцип действия

В лампе бегущей волны типа М усиление СВЧ-колебаний осуществляется в результате взаимодействия бегущей волны в замедляющей системе с электронами, движущимися в скрещенных электрическом и магнитном полях. В отличие от других приборов типа М электронный поток вводится в пространство взаимодействия с помощью специальной электронно-оптической системы.

По конструкции лампы бегущей волны типа М делятся на плоские и цилиндрические.

На рис. 1 приведена схема устройства ЛБВМ плоской конструкции. Лампа имеет две основные части; инжектирующее устройство и пространство взаимодействия.

Инжектирующее устройство состоит из катода и управляющего электрода, обеспечивающих создание ленточного электронного потока и ввод его в пространство взаимодействия. Электроны, вылетевшие из катода, в скрещенных статических

Рис. 1

электрическом E_yпp и магнитном В полях в пространстве между катодом и управляющим электродом двигаются по циклоидальной траектории. Подбирают такие условия, чтобы электроны в момент входа в пространство взаимодействия, образуемого верхним электродом замедляющей системы (анод) и нижним электродом (холодный катод или основание), находились на вершине циклоиды В этой точке имеется только горизонтальная составляющая скорости v_0z, которая определяется по формуле:

С корость v_0z – начальная для пространства взаимодействия. Если начальная скорость электронов направлена параллельно электродам и равна переносной скорости, то траектория электронов прямолинейна. Переносную скорость в пространстве взаимодействия определяют по формуле:

Таким образом, при выполнении условия v_0z=v_п траектория оказывается прямолинейной и электроны должны попадать при отсутствии высокочастотного поля в пространстве взаимодействия на коллектор.

Высокочастотный сигнал подводится через вход замедляющей системы. Если фазовая скорость пространственной гармоники v_фp равна переносной скорости v_п, то в пространстве взаимодействия происходит увеличение энергии СВЧ-поля в результате уменьшения потенциальной энергии электронов. Для предотвращения самовозбуждения имеется, как в ЛБВ типа О, поглотитель.

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. Электронный поток, входящий в пространство взаимодействия, имеет определенную толщину ∆ (рис. 6.1). Напряженность СВЧ-поля в ячейках замедляющей системы зависит от поперечной координаты у, поэтому взаимодействие поля и электронов, находящихся в разных точках

Рис. 2

сечения потока, различно. Верхние электроны испытывают воздействие более сильного СВЧ-поля, чем нижние. На рис. 2 показано смещение электронов в подвижной системе координат

(движущейся синхронно с волной). Стрелки обозначают смещение во времени электронов, начавших движение в разных фазах СВЧ-поля, а толстые линии – верхнюю и нижнюю границы электронного потока, наблюдаемые в подвижной системе координат. Смещение электронов на верхней границе всегда больше, чем на нижней, поэтому сечение пучка пульсирующее: в тормозящем поле увеличивается, а в ускоряющем – уменьшается. Расчеты показывают, что в приборах типа М, несмотря на группирование электронов в тормозящем поле, объемная плотность электронного потока в отличие от приборов типа О остается постоянной, так как одновременно с продольным группированием происходит увеличение сечения пучка (растет размер пучка в поперечном направлении). Передача потенциальной энергии электронного потока СВЧ-полю в приборах типа М объясняется только тем, что электроны в тормозящем СВЧ-поле смещены в область с большим потенциалом статического поля, так что их потенциальная энергия превышает потенциальную энергию электронов в ускоряющем СВЧ-поле.

Рис. 3

Границы электронного потока в неподвижной системе координат для определенного момента времени показаны на рис. 3. Пунктирными горизонтальными прямыми отмечены границы пучка, когда нет СВЧ-поля. При наличии СВЧ-поля электроны находятся в выбранный момент времени внутри заштрихованной области. В другой момент времени волна оказывается смещенной вправо на некоторое расстояние, а выбранный электрон, если он находится в тормозящем поле, сместится вверх к положительному электроду. Со временем такой электрон плавно смещается вверх. Штрихпунктирной линией показана траектория электрона , начавшего движение в максимуме тормозящего поля в точке А. Точками А', А" показаны положения этого электрона через каждый период СВЧ-напряжения, когда тормозящее поле имеет опять максимальную величину . Электрон, находившийся в момент времени t в точке А, перейдет за период Т в точку А', а электрон, бывший в точке А', за это же время переместится в точку А" и т. д.

В конце пути электроны попадут на коллектор. Однако, если амплитуда СВЧ-сигнала велика, электроны могут попасть раньше на верхний положительный электрод замедляющей системы. Эти электроны отдают полностью свою потенциальную энергию СВЧ-полю. Линейная связь выходного и входного сигналов наблюдается до тех пор, пока электроны не начнут попадать вблизи коллектора на анод замедляющей системы. С дальнейшим повышением входного сигнала все большее число электронов будет попадать на анод, причем точка попадания электронов смещается влево. В этом случае замедляется рост выходной мощности, а коэффициент усиления ЛБВМ начинает уменьшаться. При некотором входном сигнале наступает режим насыщения.

[Н. Д. Федоров "Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы"]

2. Гибридный прибор

Магнетрон + ЛБВ М-типа

Конструктивно данный прибор будет представлять собой цилиндрическую ЛБВМ, в которой элементы замедляющей системы чередуются с резонаторами магнетрона. Соответственно, при движении электронного потока, в одних областях электроны взаимодействуют с полем бегущей волны, усиливая сигнал, а в других ‒ с резонаторами, способствуя генерации СВЧ.

В таком приборе необходим точный расчет рабочих частот и траектории электронного потока для получения резонанса в магнетронной части.

3. Область взаимодействия

В данном приборе область взаимодействия определяется замедляющей системой, на длине которой должно укладываться несколько целых длин волн.

f=8ГГц, λ=0,0375м, следовательно, размер области взаимодействия ‒ 10..30 см

1 балл

Задание №2.

Приборы с квазистатическим управлением. Триод.

Рассчитать диапазон углов пролета в промежутке катод-сетка для триода, работающего в одном из режимов А, В, С. Рабочая частота , расстояние катод-сетка , постоянное напряжение на аноде 100* , проницаемость сетки 0,01( . Рассчитайте для этих углов коэффициент взаимодействия. Используя полученные результаты, объясните, почему триоды неэффективны на высоких частотах.

Дано: f=800 МГц, x_кс=5 мм, U_а=500 В, D=0,13, режим А, В, С.

Найти: 1. Диапазон углов пролета; 2. Коэффициент взаимодействия М.

Решение:

1. ‒ скорость электронов, U=U_c+D∙U_a,

‒ время пролета катод-сетка

Соответственно, при разных значениях U_c будут получаться разные значения θ

Значения U_c зависят от модели триода и от режима работы. Зададим режим работы B и Е_с= -15 В, а U_Cm=40 В. Тогда диапазон U_c = -55..25 В

тогда получим θ_min=4,47 рад, θ_max=13,4 рад

_{2. Рассчитаем диапазон коэффициентов взаимодействия:}

M_min=0,061

_Mmax=0,35

Максимальный коэффициент взаимодействия приемлемый.

Если увеличить частоту до 10 Гц, θ_min увеличится до 56 рад, а M_max упадет до 0,01, а время пролета будет в 56 раз больше периода колебаний. Значительная неоднородность электрического поля в пространстве сетка-катод влияет на то, что время и угол пролёта различных электронов оказываются неодинаковыми. Этот разброс углов пролёта и, следовательно, коэффициента взаимодействия, оказывает влияние на предельную частоту работы триода.

Кроме того, триоды неэффективны на высоких частотах из-за таких явлений, как нагрев управляющей сетки за счет излучения катода и перехвата электронного тока, напыление веществ, испаряемых с катода и изменение структуры сетки, из-за которых становится существенной термоэмиссия сетки и появляется вторичная эмиссия. Накладываются ограничения на резонансную частоту вследствие наличия внутренних паразитных емкостей и индуктивностей.

Ответ: 1. θ_min=4,47 рад, θ_max=13,4 рад; 2. M_min=0,061, M_max=0,35.

1 балл