Микроволновые приборы и устройства.-1

Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Томский Государственный Университет Систем Управления и Радиоэлектроники

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

t шR вых + R ш

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

05.02.2023

Размер:

997.79 Кб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 107 8 9 10 > Следующая >>>

wN		=		1		.	(4.17)

			L0	×(C0
	2		L0	×(C0	+ Cсв )
	2

Рабочий режим магнетрона

Для работы магнетрона необходимо выполнение синхронизма скоростей, т.е. равенство средней фазовой скорости волны в замедляющей системе и скоро-

сти электрона, V0 (скорость центра катящегося круга)						Vц = Vфn m или
Е	w	n	× (r + r )		wn × rср	(4.18)
В =			а к	=
	(n + m × N ) × 2				(n + m × N )

Из (4.18) величина напряжения на аноде, удовлетворяющая условию самовозбуждения для любого вида колебания n и любой гармоники m, имеет вид

U n m	=	w		× ( r 2	- r 2 )	× B	(4.19)
			n	a	a
		2 × ( n + m × N )
На электрон в магнетроне (или любом приборе М –							типа) действует электри-

ческая сила Fe , направленная от катода к аноду, и магнитная сила Fm , направлен-

ная к катоду, но ещё на электрон, обладающий угловой скоростью, действует центробежная сила, направленная к аноду и не зависящая от магнитного поля. Учет этих сил позволяет определить пороговое анодное напряжение, при котором су-

ществует генерация, и величина его

U n m

определяется из (4.19)

2 × p×f

Unop =

×(ra2 - rк2 ) × В-

× ra

×(m × N + n)

2 ×е

(m × N + n)

или

(n + m × N) ×l

=1, 01×107 ×

B ×

-1 ,[В]

nop

(n + m × N) ×ln

1, 07

(4.20)

Здесь ra , λ в сантиметрах.

Электронный коэффициент полезного действия в приборах типа М может быть найден при использовании одного из соотношений

hе =

Wn - Wk

1 -

2 ×

m 0

U a

(r - r

) × B 2

a k

= 1 -

× m

1 + d

(4.21)

- d

+ m × N ) B × e 1

= 1 -

1, 07

1 + d

+ m × N ) × l × B 1 - d

где δ =

N - 4

(4.22)

N + 4

Коэффициент полезного действия контура (резонатора) определяется его

добротностями

ηk = 1 -

(4.23)

+ Qви

Величина внешней добротности определяет параметр магнетронов - степень затягивания Fз частоты прибора

Fз =	0,417 × f	0	(4.24)
	Qви

В ЛБВМ и ЛОВМ начальная скорость электронов в пространстве взаимодействия для их прямолинейного движения задается электронной пушкой и должна быть равна

V =	2 × е× U0	=	U1 + U2	,	(4.25)

0	m0		d × B

	V0 =Vц ,
где d – расстояние между замедляющей системой и холодным катодом, назы-
ваемым подошвой; U 0 , U1 , U 2 - постоянные напряжения					на аноде пушки, холод-

ном катоде, замедляющей системе прибора относительно катода.

Траектория движения электронов в пространстве взаимодействия ЛБВМ или ЛОВМ (в случае пушек короткой оптики) должна быть прямолинейной. Требование будет выполнено при равенстве скорости электронов на выходе из пушки и скорости электронов в центре колеса, катящегося без скольжения в области про-

странства взаимодействия Vц. Для этого требуется, чтобы напряженность электрического поля в пространстве взаимодействия Е0 , равнялась двум напряженностям электрического поля в области пушки Еn при постоянной величине магнитного поля, т.е.

E0 = 2 × Еn .

(4.26)

Условию (4.26), при одинаковых размерах катод - ускоряющий электрод d n в

области пушки и замедляющая система - холодный катод dc

в области простран-

ства взаимодействия, будет соответствовать соотношение

Ua =U2 +U1 =2×Un

(4.25)

Для передачи потенциальной энергии электронов

e×Ua высокочастотному

полю

ЗС в условиях синхронизма скоростей V0 = Vц = Vф , кинетическая энергия

W =

m ×V2

должна рассеиваться на коллекторе. Полю СВЧ передается энергия

W = Wn - Wк = е× (U а - U 0 ) ,

электронный КПД ηе можно определить

ηе =

= 1 -

U 0

(4.26,а)

U a

или

hе =1-

m0 ×Vф2

=1-

25,6×104

Vф

(4.26,б)

2×е×Ua

Если электроны попадают в пространство взаимодействия с вершины циклоиды, двигаясь в пушке короткой оптики, то КПД можно определять через координаты влета и размер пространства взаимодействия в виде:

h=1-	4×Un	=1-	увл
h=1-	U	=1-	d .	(4.26,в)
	U		d .	(4.26,в)
	a
Коэффициент усиления в децибелах ЛБВМ определяется соотношением
Ку = -6 + 54, 6 × D × N [дБ] ;				(4.27)

где N – количество замедленных длин волн, укладывающихся длины замедляющей системы; D – параметр усиления, равный


D =		I0 × Rсв	×d	bе ×Сth(be × увл ) ,			(4.28)
D =		Ua		bе ×Сth(be × увл ) ,			(4.28)
		Ua
	где I0- ток пучка электронов; Rcв - сопротивление связи на уровне прохожде-
ния невозмущенного потока электронов в лампе; β е =						ω	- постоянная распро-
ния невозмущенного потока электронов в лампе; β е =							- постоянная распро-
					V0

странения пространственной волны в электронном потоке; увл - координата влета электронного пучка относительно холодного катода.

Величина параметра усиления лежит в пределах 0,02<D<0,2.

Возбуждение генераторных ЛОВМ (в различных зонах генерации n) происходит при определенной величине пускового тока. Предпочтенье отдается работе в первой зоне генерации

Iо(n)nуск =(2×n-1)2 ×Ion(1)уск,
I(1)	» 0,124 ×	U a	.	(4.29)
		R св × N 3
onуск

Величина тока пучка I0 определяется выходной мощностью и напряжением

на пушке.

В платинотронах если обозначить шаг замедляющей системы d и толщину ламели τ , то

t = 0,5 ×d ,

d =

2 × p× ra

(4.30)

где ra

- радиус анода по пространству взаимодействия, N –

число ячеек в ЗС.

Обычно N ≤ 11. Ускоряющее напряжение,

необходимое для достижения ско-

w×d

рости Vф , определяется соотношением

p - Q

Рабочее значение анодного напряжения амплитрона

9,42×108

×В×(r2

-r2 )

Ua =

-1,01×107 ×

(4.31)

g×l

где γ

N - pЗ

- номер вида колебания; р

- номер рабочей зоны (целое чис-

ло).

Из (4.31) можно определить ra , введя δ

в виде

1 -

d =

rк

2 × g

;

rа

1 +

2 × g

ra =

U a

(4.32)

9, 42 ×108 × В × (1 - d)2

1, 01 ×107

g × l

(g × l)

Полный КПД равен произведению КПД колебательной системы

ηk на элек-

тронный КПД ηе . КПД системы находится по формуле

η к =

(4.33)

L 3 (

дБ )

1 +

К у (дБ )

где L3 - потери в замедляющей системе, Ку

- коэффициент усиления.

Высота активной части катода hк меньше высоты пространства взаимодейст-

вия

hк = 0,95×ha .

(4.34)

Ток катода Ia , площадь катода S и плотность тока jпред, равны

соответст-

венно,

− Pвх

I a =

Pвы х

;

(4.35)

× U a

Sk = 2 × p × rk × h k ;

jпред =

(d0 -1)×Ua

754×l×r ×ln(d−1)

где δ 0 - коэффициент вторичной эмиссии катода, величина которого для ок-

сидных катодов равна 5, а для остальных меньше 3.

Фазовая скорость и длина замедленной волны пространственной гармоники СВЧ в ЗС платинотрона

ω d

; V

ωd

;

2π d

(4.36)

ф m

π + θ +

2 π

ф(−1)

π -θ

- θ

где Θ - фазовый сдвиг на ячейку по связкам равный

2γ

ω Dt

= π 1

, или

(4.37)

2γ

θ опт = π 1

t - допустимое время отставания (или опережения) спицы по отношению к целому числу периодов СВЧ поля , бегущего вдоль ЗС.

Оптимальный (и допустимый) фазовый сдвиг СВЧ поля на ячейку по пространству взаимодействия ϕ опт , когда t = 0 , составляет


	ϕопт = π -θопт =	2πγ			,

	π (N +1- 2m ± 1		N
			)
ϕдоп =	3			.	(4.38)
	N

Коэффициент усиления амплитрона [10]

К у = η к (1 + η э × P0

/ Pвх ) =

или

(4.39)

= η к (1 + PЭ / Pвх )

К 2

К у

вых

+ 1 ;

Pвх

4 Pвх

где К=43,2 –

константа.

Амплитуда входного сигнала может быть определена в виде

U =

2P ×R

(4.40)

вх

св

5.4.2. Примеры решения задач

Задача №1( Определение геометрии некоторых узлов в магнетроне)

Определить диаметры анода и катода, высоту анодного блока 16-ти

резона-

торного магнетрона, работающего на основной гармонике π - вида колебания и на длине волны 10 см. При напряжении на аноде 12 кВ обеспечивается импульсная мощность 300 кВт и коэффициент полезного действия 50%.

Решение

Размеры анода и катода или магнитную индукцию можно определить из соотношений параболы критического режима, а также можно воспользоваться эмпирической формулой из теории магнетрона

- 4

+ 4

Отсюда

= 0,6 ;

6,75 ×10 −4

Вкр =

U a

rк2

]

здесь ra в сантиметрах.

Из условия

λ × B < 1, 2[Tл×см]

получаем,

что

B < 0,12[Tл] и принимаем

B = 0,1[Tл] , т.к. при меньших значениях КПД снижается.

Из параболы критического режима определяем радиус анода

ra =	6, 75 ×10−4					Ua	=	6, 75 ×10−4 ×1,1×102	= 1,16см ;
ra =		r			2		=	0,1×[1- 0, 36]	= 1,16см ;
	1	-	k			× В
	1	-				× В
		ra

			rk	= 0,6 ×1,16 = 0,696 » 0,7см .

Для нахождения высоты анодного блока следует определить, какой ток необходимо получать с катода

η =	Pген	или I0	=	Pген	.

U0 × I0			U0 ×η


Откуда	.	I0	=		300 ×103				= 50 А
				12		×10	3	×0, 5

Ток с катода при известной плотности I0 = ja × 2π rk × h , где h высота эмиссион-

ного слоя катода. Плотность тока эмиссии оксидных катодов в приборах типа М, в том случае, когда катод находится в пространстве взаимодействия, оценивается эмпирической формулой, позволяющей учесть частоту

ja = 3×10−3 × fMГц = 3×10−3 ×3×103 = 9[ Асм2 ]

При заданной величине тока с катода I0 высота эмитирующей поверхности катода определяется

h =			J0	=	50	= 1, 264см
h =	j	a	× 2π r	=	9 × 2 ×3,14 ×0, 7	= 1, 264см
		a	k

Задача №2 (Определение напряжения на магнетроне и разделения частот) Определить величину анодного напряжения, при котором возможно возникно-

вение ближайшего к π - виду колебания в восемнадцати резонаторном магнетроне, если известно, что частота π - вида равна 3 ГГц, частота ближайшего высоковольтного вида 3,1 ГГц, а анодное напряжение на колебании π - вида равно 8 кВ. Определить разделение частот.

Решение

Условие самовозбуждения различных видов колебаний имеет вид

ω ( ra + rk )

ω rср

;

2( n

+ m N )

( n

+ m N )

U a =

(r 2

- r 2 ) × В

(4.41)

2(n + mN )

где m=0 для основной гармоники ; для колебания

π - вида

n =

; и

n = N -1 для ближайшего к π - виду колебания; A=B·( ra2 -rk2 ).

Из (4.41) получим формулы для вычисления напряжений

a π		=		ω π	А
				N
					ω n − 1 × А
	N	=
					( N - 2 )
a (			− 1 )
	2

× ( N - 2 )

U aπ N

a (

− 1 )

ω n

ω n − 1

ωn−1N

3,10×18

Uaπ =

×8

×10

= 9,3[кB].

−1)

ωπ (N -

3×16

Выводы. Напряжение на аноде для возбуждения ближайшего к π- виду колебания значительно больше напряжения π вида (9,3кВ>8кВ).

Разделение частот определяется по формуле

ξ =	Df	[ fπ - f		N	−1	]		0,1×100%
		=		2			=		= 3, 33%
	fπ		fπ					3

Этой величины разделения частот достаточно для устойчивой работы магнетрона на π - виде колебания.

Задача №3 (Определение размеров петли возбуждения поля в магнетроне) Уход частоты колебаний магнетрона под действием нагрузки не должен быть

более 1,5 МГц на частоте 3 ГГц при коэффициенте стоячей волны 1,2 в тракте, на который работает прибор. Рассчитать размеры площади петли, обеспечивающей требуемые параметры, если волновое сопротивление кабеля, подключенного к петле связи, равно 75 Ом, резонаторный блок магнетрона представляет резонаторы типа щель-отверстие. Высота резонаторного блока 2 см, диаметр отверстия резонатора 2 мм.

Решение . Уход частоты определяется соотношением

D f =	f	0	× ( К св2 - 1)	,
		Q вн × 2 К св

где Ксв - коэффициент стоячей волны. Из этого выражения находим Qвн

Qви =	f0	×	Ксв2 - 1	=	3 ×10 3	×		0,44	= 366
	Df		2 Ксв				1,2 × 2
				1,5

Площадь витка [5] определяется соотношением

S п =	Z к	× V p	× λ 0

	4 π	× Z 0	× Q в н
	4 π	× Z 0	× Q в н

где Zк -

сопротивление кабеля; Vp

- объем пространства в одном резонаторе,

занимаемого отверстием (типа щель –

отверстие), диаметр которого равен 2в; Z0

- волновое сопротивление свободного пространства, т.к.

V = h ×πв2

то

Z к × h ×π в2 × С

1 2

75 × 2 ×10 −2 × 3,14 × (2 ×10−3 )2 3 ×10

−6

S n

= 1, 04 ×10

4π × 377 × Qвн × f0

377 × 4 × 3,14 × 366 × 3 ×10

Откуда радиус петли связи R =	S	=	1, 04	= 0,576,[ мм].

n	π		3,14

Задача №4 ( Определение величины магнитного поля и напряжения в ЛБВМ)

Коэффициент замедления ЛБВМ равен 10, напряженность постоянного электрического поля, в пространстве взаимодействия 3 , 3 × 1 0 6 , [ Вм ] .Расстояние

между ЗС и холодным электродом 2 мм. Определить величины магнитного поля и ускоряющегося напряжения в лампе бегущей волны, если на холодном электроде напряжение отрицательное , равное ( −100В.).

Решение

Коэффициент замедления Кз =

В лампах типа М выполняется синхронизм

Vф

скоростей V

= V . А т.к. скорость центра катящегося круга V =

, то

В =

Е × Кз

3,3 ×106 ×10

= 0,11 Тл.

3 ×108

Зная, что напряженность электрического поля определяется в пространстве

взаимодействия напряжением и размером	d - расстояние между ЗС и холодным
электродом ,то Un = Е × d , а Un = U0 -U x .	Откуда имеем

U0 = Un +Ux = Е × d - Ux = 3,3 ×106 × 2 ×10−3 +100 = 6,5кВ.

Задача №5 ( Определение времени пролета спицы в платинотроне)

Определить время полного оборота спицы в платинотроне и время пролета одного периода замедляющей системы, если известны размеры: радиус анода 2 см, радиус катода 1 см. Ускоряющее напряжение 20 кВ, индукция магнитного поля 0,1 Тл, количество резонаторов в платинотроне равно 9.

Решение.			2 π ra
Время оборота спицы равно τ =	L	=			,
			V Ц
V Ц
где L – длина окружности вблизи поверхности анода.
Скорость электронов, находящихся	в	центре		катящегося круга V ц ,равна

V =

Е =

здесь напряженность электрического поля определяется

ra − rk .

Время оборота электронной спицы вокруг катода

τ =

2π r (r

- r )

2 ×3,14 × 2 ×1×10

−4 × 0,1

= 0, 628 ×10−8 = 6, 28 ×10−9 с

a a

U O

20 ×103

Время пролета электроном одного сегмента τс =

6,28×10−9

=0,698×10−9 с.

Задача №6 ( Определение КПД платинотрона).

Платинотрон работает при ускоряющем напряжении 30 кВ и рабочем токе анода 10 А. На вход его подается мощность 20 кВт, а при собственных потерях в электродинамической системе 3 дБ он имеет коэффициент усиления 15 дБ. Определить электронный и общий КПД этого платинотрона.

Решение

Коэффициент полезного действия замедляющей системы ηзс [12] зависит от потерь в системе L з и от коэффициента усиления Ку

η зс	=	К у (дБ )
		К у (дБ ) + L3 (дБ )

В нашем случае ηзс =		10	=	10	≈ 0,77
В нашем случае ηзс =	10 + 3		=		≈ 0,77
	10 + 3		13
Коэффициент усиления платинотрона [13] определяется в виде.
							+ η э	PO
			К у			1			, раз,

					= η зс
								Pвх

где P =Ua × Ia - мощность, затрачиваемая постоянным источником питания.

Получим выражение для КПД ηэ из последнего соотношения в виде:

ηэ = [Ку / hзс − 1]Pвх

Коэффициент усиления 10 дБ соответствует увеличению мощности на входе в

10 раз, тогда ηэ = [10/ 0,77 -1]×16 = 0,639≈ 0,64 300

Общий КПД платинотрона составляет η =ηзс ×ηе =0,77×0,64=0,493 Вывод: общий КПД платинотрона примерно 50% .

5.5. Индивидуальное задание №5

Полупроводниковые приборы и применение СВЧ энергии

-Раздел программы – 2.4.

5.5.1.Основные вопросы теории

При выполнении этого задания студенту необходимо знать материал по полупроводниковым приборам с положительным и отрицательным сопротивлением, чтобы уметь рассчитать основные параметры и характеристики. Необходимо знать эквивалентные приборов и особенности работы передающих линий с параллельно или последовательно включенными полупроводниковыми приборами. К серии особых СВЧ устройств относится микроволновая камера. Особенности ее работы и расчета режимов нагрева предстоит освоить самостоятельно. Ниже приводятся краткие вопрос теории ее.

Полупроводниковые приборы (ППП) СВЧ диапазона используются для детектирования сигналов, преобразования частот, генерирования и усиления колебаний, в качестве переключателей трактов. Основным преимуществом ППП являются малые габариты и вес, малое потребление энергии, высокая механическая прочность и простота эксплуатации.

Детекторные диоды (ДД) предназначены для детектирования СВЧ сигналов в измерительной аппаратуре, в приемниках прямого усиления. Детекторные диоды используются при малых уровнях мощности сигнала, и поэтому работают в режиме квадратичного детектирования. Параметрами ДД являются:

-чувствительность по току β-отношение выпрямленного тока I к высокочастотной мощности, поглощаемой диодом при минимальном сопротивлении внешней нагрузки. Мощность сигнала, рассеиваемая на сопротивлении диода, определяется соотношением Pпот = 0,5 × I2 × Re(Z) , где полное сопротивление диода

(рис.5.1)	Z = r +		1	+ jω Lk .	(5.1)
(рис.5.1)	Z = r +	−1 + jωC		+ jω Lk .	(5.1)
	R	−1 + jωC
				U m
		Lк	rп	C	д
					д
				rд
			Ск

Рис.5.1. Эквивалентная схема полупроводникового диода на СВЧ.

При согласовании диода с СВЧ трактом величина β определяется формулой

b = a ×	1		×	R 2	,	(5.2)
				R + r(1 + v2 C2 R 2 )
2	(R вых	+ r)

где α-параметр при квадратичной ВАХ диода равен 2; C,R – емкость и активное сопротивление p-n перехода; r – сопротивление потерь диода, Rвых – определяется по ВАХ как дифференциальное сопротивление при положительном смещении, соответствующем рабочему режиму (в несколько десятков микроампер) или сопротивление в рабочей точке;

-добротность Q – характеризует чувствительность диода в режиме малых сигналов

где tш- шумовое отношение диода, Rш- эквивалентное шумовое сопротивление, обычно равное 1000 Ом. Обычно добротность Q >30 Вт-0,5;

-шумовое отношение диода tш- есть отношение мощности шумов на выходе диода в заданной полосе частот к мощности тепловых шумов в рабочей точке, обычно tш≥ 1,5÷2;

-полное входное сопротивление диода в рабочем диапазоне частот на входе диодной камеры равно

где Z0- сопротивление p-n перехода для случая параллельного соединения C и R перехода, Lk, Ck- параметры корпуса диода.

-коэффициент стоячей волны - отображает согласование детекторной камеры с СВЧ трактом.

Переключающие диоды (ПД) представляют на СВЧ двухполюсник с комплексным входным сопротивлением, изменяемым режимом питания по постоянному току, и не зависят от величины СВЧ мощности. ПД в двух режимах характеризуются двумя значениями входных сопротивлений Z1=r1+jX1 и Z2 = r2+jX2 и параметрами:

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 107 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
05.02.20231.29 Mб17Микроволновая техника. Объемный резонатор на отрезке волновода.pdf
#
05.02.20231.34 Mб6Микроволновая техника. Прямоугольный волновод.pdf
#
05.02.20233.61 Mб9Микроволновая техника..pdf
#
05.02.2023485.7 Кб12Микроволновая электроника.-1.pdf
#
05.02.2023793.34 Кб12Микроволновая электроника..pdf
#
05.02.2023997.79 Кб7Микроволновые приборы и устройства.-1.pdf
#
05.02.20235.77 Mб23Микроволновые приборы и устройства..pdf
#
05.02.2023836.9 Кб9Микромехатроника. Наномехатроника-1.pdf
#
05.02.2023359.69 Кб8Микромехатроника. Наномехатроника.pdf
#
05.02.2023205.11 Кб9Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике.-1.pdf
#
05.02.2023144.11 Кб13Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике.-2.pdf