МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра микроволновой электроники 9 балл. Отлично, что тут скажешь.

отчет по заданию № 2 по дисциплине «Микроволновая электроника»

Студент гр. 300 ____________________ iVan Temnoholm Преподаватель ____________________ Иванов В.А.

Санкт-Петербург 2024

Задача №1.

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

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

Из представленного списка выберете «свой» прибор согласно правилу:

и прибор, близкий по принципу действия. Если Ваш номер превышает число 11, то

Для этих приборов опишите:

• Принцип действия, используя: гидродинамический подход и формулу , квантовый подход.

• Каковы основные сходства и различие приборов.

• Оцените характерный размер одного из приборов, если он работает на частоте . Мощность, коэффициент усиления, другие параметры - выберите самостоятельно, согласно типовым параметрам данного типа приборов см. Продукция — АО "НПП "Исток" им. Шокина" (istokmw.ru)

Примечание: весовой коэффициент задачи 3балла

Решение:

Лампа бегущей волны типа-О представляет собой устройство с динамическим управлением, предназначенное для усиления мощности СВЧ сигнала. Принцип работы данной лампы схож с принципом работы клистронов, так как усиление СВЧ колебаний в обоих устройствах происходит по схеме: скоростная модуляция электронного потока – группирование, образование электронных сгустков – отбор энергии от сгруппированного потока. Принципиальное отличие состоит в том, что в клистронах передача и отбор энергии СВЧ поля осуществляется стоячими волнами в резонаторах, а в ЛБВ-О – бегущими волнами.

Более детально клистрон работает следующим образом

Рисунок 1 – Устройство пролетного клистрона [3]

С катода (рисунок 1) под действием ускоряющего напряжения вылетает постоянный по плотности поток электронов, во входном резонаторе формируются стоячие СВЧ волны под действием входного СВЧ сигнала, поле стоячих волн ускоряет быстрые электроны и замедляет медленные, так как электроны с высокой скоростью имеют меньший угол пролета пространства взаимодействия, а значит больший коэффициент взаимодействия с полем этого пространства.

Кроме того, согласно самосогласованной задаче электроны пролетая через зазор наводят в нем ток, который в свою очередь влияет на поле резонатора, то есть на скоростную модуляцию электронов в зазоре резонатора затрачивается конечная мощность.

В пространстве дрейфа промодулированный по скоростям поток начинает группироваться, быстрые электроны догоняют медленные, тем самым образуются сгустки, поток становится неоднородным. В дрейфовом пространстве также возможно добавление магнитной фокусировки, для уменьшения влияния пространственного заряда (разгруппировки за счет расталкивания электронов внутри сгустка). Стоит также сказать, что клистрон, как и ЛБВ-О относится к приборам О-типа, то есть магнитное поле не является обязательной частью при работе устройства, а вектора скорости электронов и электрического поля компланарны.

Отбор энергии от сгруппированного потока электронов можно объяснить с точки зрения квантового подхода. В начале сгустки электронов наводят в выходном резонаторе электромагнитное СВЧ поле той же частоты, что и входное поле, что и частота следования сгустков. Процесс снова описывается самосогласованной задачей, наведенное поле от сгруппированного потока начинает влиять на сам поток, тормозить или ускорять, однако выходной резонатор устроен таким образом, что в среднем тормозит электронов больше, чем ускоряет. С точки зрения квантового подхода, торможение ускоренного электрона сопровождается выделением квантов энергии так как в квантовой теории электрон в кулоновском поле имеет некоторую вероятность перейти в состояние с более низкой энергией, испуская при этом фотон, при этом максимальная частота такого излучения ограничена полной кинетической энергией электрона, что также является следствием закона сохранения энергии. Кинетическая энергия электронного из сгустков потока в виде тормозного излучения передается полю выходного резонатора повышая амплитуду СВЧ колебаний (усиление).

Отработавшие электроны попадают на коллектор рассеивая оставшуюся энергию в виде тепла.

В ЛБВ начальный этап аналогичен клистрону, с катода вылетает постоянный однородный поток электронов под действием ускоряющего напряжения U₀, этот поток влетает в пространство взаимодействия вместе с СВЧ сигналом. Видно, что отличие от клистрона в ЛБВ отсутствует резонатор, а СВЧ сигнал представляет собой бегущую волну. Для правильного взаимодействия этой волны с электронным потоком необходимо, что бы электроны двигались с той же скоростью, что и бегущая волна, это условие отражает условие синхронизма

(1)

Для выполнения этого условия в силу того, что электроны нельзя разогнать до скорости света, уменьшают фазовую скорость самой бегущей волны. Для этого используют замедляющие системы, например спиральная (рисунок 2). Поле волны проходит вдоль проволоки, и уменьшение фазовой скорости пропорционально количеству витков. Для того, чтобы электронный поток не оседал на спирали уменьшая КПД, вводится фокусирующее магнитное поле вдоль пролета электронов. Что характеризует приборы типа-О, аналогично клистрону.

Рисунок 2 – Устройство лампы бегущей волны типа-О [3]

При выполнении условия синхронизма происходит корреляция движения электронов с волной в пространстве. Дальнейший процесс группировки можно описать с помощью . Часть электронов из однородного потока оказывается в ускоряющем полупериоде волны, другая часть в замедляющем, под действием поля волны электроны смещаются относительно исходных фаз волны и группируются около электронов, которые находятся в точках Е_z = 0 рисунок 3. Так как поток начинает терять однородность, образовывая сгустки, поле также меняется из-за наведенного тока в ЗС и амплитуда волны уменьшается, то есть затрачивается энергия на модуляцию по скорости и группировку. Сила группировки электронов зависит от амплитуды СВЧ сигнала и от длины пространства взаимодействия ЛБВ.

Рисунок 3 – Группировка электронов в поле бегущей волны [1]

Отбор энергии от электронных сгустков так же поясняется с помощью квантового подхода. Если в клистроне отбор энергии осуществлялся за счет излучения электронов в результате торможения, то в ЛБВ-О излучение происходит за счет эффекта Вавилова-Черенкова. При длительном взаимодействии поля волны и потока электронов появляются сильно ускоренные сгустки, скорость которых начинает превышать фазовую скорость волны. Избыток кинетической энергии электрона выделяется в виде фотонов, и электрон переходит в состояние с меньшей энергией – замедляется. Излученная энергия поглощается бегущей волной, возрастает амплитуда СВЧ поля на выходе из ЛБВ – происходит усиление. Такой процесс вводит ограничения на длину ЛБВ, так как сгустки электронов которые отдали энергию и замедлились могут снова попасть в ускоряющий полупериод и забрать энергию от бегущей волны, тем самым упадет коэффициент усиления и электронный КПД, так как не будет обеспечиваться эффективная отдача энергии потока СВЧ полю. Поэтому вывод СВЧ необходимо устанавливать на расстоянии максимального увеличения амплитуды СВЧ.

На коллекторе ЛБВ происходит рассеяние отработавших электронов аналогично клистрону. Кроме того, необходимо устанавливать поглотитель бегущей волны – согласованную нагрузку, на открытом конце ЛБВ, чтобы избежать отражения и нарушения режима работа и самовозбуждения в пространстве взаимодействия.

В итоге была отражена основная физика процессов, происходящих в клистроне и ЛБВ-О, в работе этих устройств есть также свои тонкости и особенности, конструкционные, физические и т.д. Однако по основному принципу работы можно выделить самые главные отличия приборов, которые обуславливают области применения этих приборов.

Клистроны в силу использования высокодобротных резонаторов (высокая добротность необходима для большого коэффициента усиления), являются очень узкополосными усилителями, обеспечивающими максимальный КПД и усиление практически на единственной частоте – частоте резонанса выходного резонатора. ЛБВ созданы именно для расширения полосы пропускания, КПД ламп бегущей волны типа-О в целом ниже, чем у клистронов, однако полоса частот, при которой сохраняется высокое КПД намного шире. Тем самым ЛБВ-О являются широкополосными усилителями.

Клистроны являются сильно шумящими усилителями, так как выходной резонатор усиливает не только гармоники основного сигнала, но и шумы тоже.

ЛБВ из-за отсутствия резонатора являются малошумящими, шум в них обусловлен дробовым шумом от потока электронов в ЗС.

Еще одним важным отличием клистронов от ЛБВ является то, что в клистроне процессы модуляции, группировки и отбора энергии разделены в пространстве, что позволяет регулировать характеристики прибора, например добавлять резонаторы, увеличивать мощность, КПД, возможность генерировать СВЧ колебания. В ЛБВ же все процессы происходят в пространстве взаимодействия – ЗС. Что также усложняет расчет этих приборов из-за одновременного протекания множества процессов, влияющих друг на друга.

Для частоты оценим размер ЛБВ на примере ЛБВ модели MEC 5523 [4].

Характеристики данной модели необходимые для расчета:

Оценить размер ЛБВ можно оценив размер замедляющей системы, так как она определяет размер пространства взаимодействия

где l – длина замедляющей системы (спирали);

С – параметр усиления, для ЛБВ типичное значение этого параметра варьируется от 0.01 – 0.2

Тогда, с учетом малого сигнала и без учета релятивистского эффекта, так как

Найденное значение меньше, чем размер ЛБВ согласно документации (36 см), потому что 15 см это размер спирали в ЗС, реальная ЛБВ также содержит катодный узел, коллектор и корпус, что соответственно увеличивает полный размер ЛБВ.

2 балл