МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра МВЭ
6.5 Балл Мало логики.
ОТЧЕТ
по ИДЗ №2 по дисциплине «Микроволновая электроника»
Студент гр. |
__________________ |
|
Преподаватель |
__________________ |
Иванов В.А. |
Санкт-Петербург
Задача №1.
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)
Решение:
Будем рассматривать лампу обратной волны типа О. В качестве схожего по принципу работы устройства выберем лампу бегущей волны типа О. В обоих устройствах поток частиц взаимодействует со стоячей или бегущей волной продолжительное время. Достоинствами именно этих устройств является их широкополосное усиление сигнала СВЧ. Также, если отмечать особенности конструкции, в этих устройствах есть магнитная фокусирующая система, которая может быть выполнена с помощью постоянных магнитов.
Принцип действия. Гидродинамический подход
Мы
будем рассматривать формулу
.
Она описывает взаимодействие поля и
электронного потока. Передача энергии
от потока частиц полю происходит за
счет торможения. При пропускании через
область взаимодействия частиц потока
с переменной плотностью заряда, возникает
переменный наведенный ток, который и
создает тормозящее поле.
Рассмотрим лампу бегущей волны, на основе которой зачастую объясняется принцип работы ЛОВ. Конструкция ЛБВ показана на рисунке 1. Основными частями устройства являются: электронная пушка, замедляющая система, система фокусировки и коллектор электронов в конце устройства. На вход подается сигнал, с которым взаимодействует электронный поток, движущийся через лампу.
Рис. 1.1. Схема ЛБВ
Замедляющая система в устройстве нужна для того, чтобы фазовая скорость входной электромагнитной волны уменьшилась до той скорости, с которой движутся электроны. Таково условие взаимодействия потока с полем.
Под действием продольного электрического поля разного направления часть электронов будет ускоряться, часть будет замедляется. Из-за такого неравномерного воздействия на электроны будут образовываться сгустки заряженных частиц, которые будут двигаться с примерно одинаковой скоростью. Так происходит модуляция по скорости. Так получается электронный поток с переменной плотностью заряда.
Как уже было сказано, для передачи энергии полю необходимо, чтобы скорость электронов была равна или почти равна фазовой скорости. Если подумать, то скорость сгустков должна быть чуть больше фазовой скорости волны, чтобы с течением времени электронные сгустки не сильно смещались относительно фазы поля. Необходимо, чтобы сгустки оставались в фазе тормозящего поля, тогда будет происходить отдача энергии полю. В конце пути электроны попадают на коллектор и отдают оставшуюся энергию в качестве тепла.
Получается, что замедляющая система является очень важной составляющей в ЛБВ и ЛОВ. Надо выбирать такую ЗС, с такой дисперсионной характеристикой, чтобы в них были моды с нужной для работы устройства скоростью, то есть примерно равные скорости электронов.
Перейдем к рассмотрению ЛОВ. Конструкция ЛОВ похожа на конструкцию ЛБВ. ЛОВ имеет идентичные основные элементы: электронная пушка, замедляющая система, система фокусировки, коллектор электронов. Главное отличие заключается в том, что в ЛОВ используется волна, у которой фазовая и групповая скорости направлены в противоположные стороны. Фазовая для взаимодействия с электронами должна совпадать по направлению со скоростью электронов, а групповая скорость волны в ЛОВ направлена от коллектора к электронной пушке. Это значит, что энергия переносится в направлении обратном движению электронов.
В области взаимодействия электроны движутся со скоростью чуть большей фазовой скорости волны, как и в ЛБВ. Под действием продольной составляющей поля происходит скоростная модуляция. Электроны группируются. Так как скорость электронов у нас немного превышает фазовую скорость, около коллектора электронные сгустки тормозятся полем и передают полю кинетическую энергию.
Рис. 1.2. Схема лампы обратной волны
Принцип действия, квантовый подход
Перейдем к рассмотрению того, как при торможении электроны излучают энергию.
В ЛБВ в области взаимодействия электроны движутся со скоростью, чуть большей фазовой скорости волны. При изменении энергии электронов, то есть при изменении состояния, электроны начинают излучать. Энергия передается полю, это приводит к усилению сигнала. То есть, движущиеся сгустки электронов в каком-то смысле можно представить в виде волны тока, распространяющейся через область взаимодействия. Ток переменный возбуждает электромагнитную волну, которая начинает распространяться в пространстве. Энергию излученную можно посчитать как интеграл по объему и по времени произведения плотности тока на поле.
В ЛОВ при торможении электроны возбуждают электромагнитное поле, в котором есть множество гармоник. По сути это шум. В ЛОВ поток электронов взаимодействует гармониками волны, направленными в обратную сторону. Это приводит к излучению, результатом которого является увеличение энергии волны, движущейся в противоположном направлении относительно волны в ЛБВ.
Оценка характерного размер ЛОВ
В ЛОВ часто применяется ЗС типа встречных штырей. Её и будем рассматривать. f = 26 ГГц.
Вспомним про условие синхронизма пучка электронов и волны. Время пролета электронов должно равняться времени пробега волны и половины периода.
Рис. 1.3. ЗС в разрезе
Формула длины волны:
Пусть l будет равно L. Пусть U0 = 0,5 кВ (соответствует диапазону от 1 до 40 ГГц)
Тогда из формулы для длины волны можно выразить L:
Получается, что характерные размеры L будут равны порядка половины миллиметра. Дальнейшие вычисления размеров будут зависеть от коэффициента усиления.
Ответ
