МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра РТЭ

7.75 Балл

отчет

по самостоятельной работе №2

по дисциплине «Микроволновая электроника» Тема: Вакуумные приборы

Выполнил: Овсянников А.И. Группа № 8204

Проверил: Иванов В. А.

Санкт-Петербург

2021

При выполнении Задания №2 используется следующий нумерованный список вакуумных приборов, изучаемых в курсе:

Порядковый номер прибора Nпр	Название
5	Триод и тетрод
2	Клистрон
4	Отражательный клистрон
1	ЛБВ-О типа
7	ЛОВ О типа
10	Магнетрон
6	Митрон
9	ЛБВ-М типа
11	Гироторон
8	Убитрон
3	Лазер на свободных электронах

Задача №1.

Из представленного списка выберете «свой» прибор согласно правилу

. Если Ваш номер превышает число 11, то

Для этого прибора опишите:

 Конструкцию;

 Принцип действия, используя: гидродинамический подход и формулу

, квантовый подход и индивидуальное излучение заряженных частиц.

 Оцените размер прибора, если он работает на частоте

f =N_student 5(ГГц) . Мощность, коэффициент усиления, другие параметры -

выберите самостоятельно, согласно типовым параметрам данного типа

приборов.

Решение:

1. Лампа бегущей волны - электронно-вакуумный прибор СВЧ диапазона, работа которого основана на длительном взаимодействии электронного потока поля усиливаемого сигнала, движущихся вдоль однородной замедляющей системы.

Рисунок 1 – Принципиальная схема ЛБВ М-типа

Лампа имеет две основные части: инжектирующее устройство и пространство взаимодействия (рис. 1). Инжектирующее устройство, состоящее из подогреваемого катода и управляющего электрода, обеспечивает создание ленточного электронного потока и ввод его в пространство взаимодействия. Пространство взаимодействия, состоящее из волноводного входа СВЧ, поглотителя, замедляющей системы (анода), волноводного выхода СВЧ, коллектора и холодного катода (пластина с выводом U₀₎, обеспечивает взаимодействие электронов с СВЧ-полем.

2. Принцип действия, используя: гидродинамический подход и формулу , квантовый подход и индивидуальное излучение заряженных частиц.

Гидродинамический подход отображает процесс создания электронного сгустка.

Рассмотрим особенности движения электронов в скрещенных полях на примере движения электронов в плоском диодном промежутке, погружённом в однородное магнитное поле. На катод подадим отрицательный потенциал. Напряжённость электрического поля имеет только одну y-составляющую. , которая направлена от анодного электрода в сторону катода. Абсолютное значение напряжённости определяется приложенной разностью потенциалов Ua и междуэлектродным расстоянием d, .

Магнитное поле однородно и имеет только одну х-составляющую индукции, направленную перпендикулярно плоскости чертежа .

Пусть движение электронов происходит в плоскости yz, тогда:

Рисунок 2 – Изображение движения электрона в скрещенных полях

На электрон, находящийся в произвольной точке М и имеющий скорость v, действуют две силы: электрическая F_эл и магнитная F_м

Так как E_x = E_z = 0, E_y = E₀, B_y = B_z = 0 и B_x = - B, то:

Тогда можно записать следующую систему, описывающую уравнение движения:

Используем уравнение непрерывности:

Для определения поля объёмного заряда воспользуемся законом полного тока:

Электронный поток считаем бесконечно длинным. По переменному току он незамкнут, поэтому для (*) положим, что Const = 0. Соответственно, перейдя к комплексным амплитудам, получаем, что:

Рисунок 3 – Скриншот из презентации к лекции с необходимой формулой

Рисунок 4 – Влияние продольной и поперечной составляющих поля

Если имеется только продольная составляющая поля Ez, то направление переносной скорости определяется векторным произведением [Ez,B], когда Ez – тормозящее поле, переносное движение идёт вверх, при ускоряющем поле – вниз, как показано на рисунке 4. Таким образом, продольная составляющая поля Ez определяет вертикальное движение электронов: в тормозящем поле смещаются вверх к положительному электроду, п в ускоряющем – вниз, к отрицательному электроду.

Если рассматривать только поперечную составляющую СВЧ-поля E_y, то аналогично можно говорить о движении с переносной скоростью , направление которой перпендикулярно векторам B и , т. е. совпадает с направлением z’ и z. Знак скорости должен определяться векторным произведением или , если . При скорость направлена против оси z, а при - по оси z. Следовательно, поперечная составляющая СВЧ-поля E_y влияет на продольное движение (по координате z).

Таким образом, поперечная составляющая поля E_y приводит к группированию электронов в тормозящей области поля и разгруппированию электронов в ускоряющей области СВЧ-поля.

Квантовый подход описывает процесс передачи энергии от сгруппированного потока электронов (сгустку) полю:

В ЛБВ М-типа объемная плотность электронного потока остается постоянной, так как одновременно с продольным группированием происходит увеличение сечения пучка.

Передача потенциальной энергии электронного потока СВЧ-полю в приборах типа М объясняется 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.

В конце пути электроны попадут на коллектор. Однако, если амплитуда СВЧ-сигнала велика, электроны могут попасть раньше на верхний положительный электрод ЗС. 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 ЗС. 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.

При работе прибора на частоте можно оценить продольное сечение ЛБВ лампы:

Дано:

;

.

Решение:

Ответ:

Длина ЛБВ при данных условиях для достижения фазового синхронизма должна равняться 0,179 м.

Источник:

1. Сушков А. Д. Вакуумная электроника: Физико-технические основы: Учебное пособие. – СПб.: Издательство «Лань», 2004. ­– 464 c.: ил. – (Учебники для вузов. Специальная литература).

2. Материалы для 7 лекции «Приборы с динамическим управлением: ЛБВ и ЛОВ».

3. Материалы для 5 лекции «Вакуумная квазистатика».