Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие для СПО
.pdf
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
_________________________________________________________________
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Оренбургский государственный университет»
М. Г. Петрушанский
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ
Учебное пособие
Профобразование
Саратов 2020
УДК 621.385.6
ББК 32.85
П31
Рецензент:
Алиджанов Э. К. — канд. физ.-мат. наук, доцент
Петрушанский, М. Г.
П31 Электронные приборы СВЧ : учебное пособие для СПО / М. Г. Петрушанский ;
Оренбургский государственный университет. — Эл. изд. — Саратов : Профобразование, 2020. — 106 с. — (Среднее профессиональное образование)
ISBN 978-5-4488-0572-1
Учебное пособие посвящено рассмотрению физических основ работы и конструк-
ций электронных приборов СВЧ, а также процессов распространения и взаимодействия
СВЧ излучения с веществом с целью понимания принципов функционирования электронных приборов СВЧ и построенных на их основе электронных средств и включает
теоретическое изложение материала и вопросы для самопроверки.
Учебное пособие предназначено для изучения дисциплины «Электронные прибо-
ры» по специальности среднего профессионального образования 11.02.04 «Радиотехнические комплексы и системы управления космических летательных аппаратов».
Учебное электронное издание
Для создания электронного издания использовано:
Приложение pdf2swf из ПО Swftools, ПО IPRbooks Reader,
разработанное на основе Adobe Air
ISBN 978-5-4488-0572-1
УДК 621.385.6
ББК 32.85
© Петрушанский М. Г., 2017
© ОГУ, 2017
© Оформление. ООО «Профобразование», 2020
3
Содержание
Введение ............................................................................................................................... 5
1 Пролетные клистроны ...................................................................................................... 8
1.1 Физические основы работы пролетных клистронов ................................................. 8
1.2 Разновидности конструкций пролетных клистронов .............................................. 11
1.3 Вопросы для самопроверки к первому разделу ....................................................... 13
2 Электронные приборы магнетронного типа ................................................................ 15
2.1 Физические основы работы приборов магнетронного типа ................................... 15
2.2 Анализ конструкций резонаторных систем магнетронов ....................................... 18
2.3 Вопросы для самопроверки ко второму разделу ..................................................... 30
3 Электронные приборы с нерезонансными колебательными системами .................. 32
3.1 Общие сведения о приборах с нерезонансными колебательными системами ..... 32
3.2 Лампы бегущей волны М-типа .................................................................................. 33
3.3 Лампы бегущей волны О-типа ................................................................................... 37
3.4 Вопросы для самопроверки к третьему разделу ...................................................... 44
4 Диоды Ганна ................................................................................................................... 46
4.1 Общие сведения об эффекте Ганна ........................................................................... 46
4.2 Физические основы эффекта Ганна ........................................................................... 48
4.3 Возникновение доменов и колебаний тока в полупроводнике .............................. 59
4.4 Конструкции генераторов СВЧ-колебаний на основе диода Ганна ...................... 66
4.5 Вопросы для самопроверки к четвертому разделу .................................................. 68
5 Применение электронных приборов СВЧ ................................................................... 69
5.1 Общие сведения о применении электронных приборов СВЧ ................................ 69
5.2 СВЧ толщинометрия материалов и изделий ............................................................ 70
5.3 Измерение диаметра протяженных изделий ............................................................ 76
5.4 Измерение вибраций ................................................................................................... 81
5.5 Измерение влажности ................................................................................................. 85
5.6 Обнаружение и локализация утечек в нефтепроводах ............................................ 93
5.7 Определение ориентации волокон в бумаге и лесоматериалах ............................. 95
5.8 Биологическое воздействие электромагнитных полей на человека ...................... 99
4
5.9 Вопросы для самопроверки к пятому разделу ....................................................... 100
Заключение ....................................................................................................................... 102
Список сокращений ......................................................................................................... 104
Список использованных источников ............................................................................ 105
5
Введение
Предлагаемое учебное пособие посвящено рассмотрению вопросов физических основ работы и устройства электронных приборов (ЭП) сверхвысоких частот
(СВЧ), генерирования излучения СВЧ диапазона и его применения в ряде важных
областей науки и техники, а также биологического воздействия электромагнитных
полей (ЭМП) на человеческий организм.
Как известно, микроволновый диапазон делится на три поддиапазона: деци-
метровые волны с длиной от 1 до 0,1 м (ультравысокие частоты от 0,3 до 3 ГГц),
сантиметровые волны с длиной от 10 до 1 см (сверхвысокие частоты от 3 до 30 ГГц)
и миллиметровые волны с длиной от 10 до 1 мм (крайне высокие частоты от 30 до
300 ГГц) [20].
Электромагнитные излучения (ЭМИ) этого диапазона обладают рядом особенностей и преимуществ по сравнению с излучениями других диапазонов. Это и
большая информационная емкость каналов связи, и возможность направленной пе-
редачи и приема электромагнитной энергии, и прозрачность земной атмосферы для
ЭМИ микроволнового диапазона (кроме нескольких полос поглощения в миллиметровой части диапазона), и избирательность поглощения микроволнового излучения
веществом. Благодаря этому ЭМИ рассматриваемого диапазона изучаются и используются в самых разных областях науки и техники: в радиолокации, в сотовых и
глобальных спутниковых системах мобильной связи и позиционирования, в системах космической, ближней беспроводной и дальней радиорелейной и кабельной
связи, в экспериментальной физике, радиоастрономии, метрологии, химии, биологии, медицине, энергетике и технологии.
В рассматриваемых в пособии ЭП энергия источников постоянного тока преобразуется в энергию СВЧ радиосигнала. Физические процессы в этих ЭП разнообразны и в значительной мере определяются методами преобразования энергии движущихся в них носителей. По этому принципу ЭП можно классифицировать следующим образом [24]:
6
– приборы, в которых осуществляется преобразование энергии источников по-
стоянного тока в кинетическую энергию прямолинейно движущихся носителей за-
ряда и далее происходит преобразование этой энергии в энергию СВЧ излучения
путем торможения носителей в поле этого излучения. Типичными представителями
таких вакуумных активных элементов являются приборы О-типа, в которых используются резонансные (пролетные и отражательные клистроны и другие) и нерезонансные (лампы бегущей волны (ЛБВ) и обратной волны (ЛОВ) О-типа) внешние
цепи;
– приборы, в которых энергия источников постоянного тока преобразуется в
кинетическую энергию вращательного движения электронов и далее путем тормо-
жения последних – в энергию СВЧ излучения. Активные элементы этого типа могут
иметь как резонансные (гиромонотроны, гироклистроны), так и нерезонансные
внешние цепи (гироЛБВ);
– приборы, характеризующиеся преобразованием в энергию СВЧ излучения
кинетической энергии носителей заряда, движущихся через периодическую после-
довательность высоких потенциальных барьеров в кристаллической решетке (диоды
Ганна и лавинно-пролетные диоды);
– приборы со скрещенными электрическим и магнитным полями, характерным для которых является непрямолинейное движение носителей заряда и передача
СВЧ излучению их потенциальной энергии при сохранении во время движения
среднего значения кинетической энергии. Такие активные элементы называются
приборами М-типа. В зависимости от внешних колебательных систем их можно
подразделить на приборы с резонансными (магнетроны, платинотроны, митроны и
другие) и с нерезонансными (ЛБВ и ЛОВ М-типа) цепями.
Для понимания материала учебного пособия обучающиеся должны иметь до-
статочные знания в области физики, материалов электронной техники, технической
электродинамики, физических основ микроэлектроники. К каждому разделу даны
вопросы для самопроверки, позволяющие оценить уровень подготовки по изученным темам. Освоение теоретических сведений о ЭП СВЧ полезно совместить с рас-
смотрением работы одного из известных пакетов компьютерных программ автома-
7
тизированного моделирования и проектирования СВЧ устройств, например, CST
Studio Suite компании Computer Simulation Technology
(http://eurointech.ru/eda/microwave_design/cst) или ADS компании Keysight Technologies Inc. (http://www.keysight.com).
8
1 Пролетные клистроны
1.1 Физические основы работы пролетных клистронов
В основу работы ЭП со свободным дрейфовым пространством положен прин-
цип преобразования в энергию радиосигнала кинетической энергии прямолинейно
движущихся носителей. Группирование движущихся электронов в пакеты для уси-
ления радиосигнала осуществляется за счет управления скоростью дрейфа элек-
тронного потока. Взаимодействие электронов с полем радиосигнала в этих приборах
очень кратковременно по сравнению с его периодом и происходит на нескольких
сравнительно небольших участках пути электронного потока. Группирование же
электронов в пакеты в таких ЭП осуществляется на большей части пути электронно-
го потока в дрейфовом пространстве, где нет поля радиосигнала. Из генераторов на
таких ЭП наиболее широкое распространение получили генераторы на пролетных
клистронах, поэтому дальнейший материал изложен применительно к этому типу
ЭП. В литературе их часто называют приборами О-типа [10].
Схематическое изображение клистрона с двумя областями взаимодействия и
одним пролетным пространством приведено на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Схема клистрона с одним пролетным пространством
9
Электронная пушка 1 создает равномерный пучок электронов, который уско-
0
E
0
v
0
E
m
Ee
v
0
0
2
e
tUEtu
sin)(
101
t
1
U
0
E
ряется потенциалом
и последовательно проходит через первую область взаимо-
действия (емкостный зазор тороидального резонатора 2), дрейфовое пространство 3
длиной l и второе пространство взаимодействия (емкостный зазор второго резонатора 4). После этого электронный пучок попадает на коллектор 5.
Скорость дрейфа
электронов, ускоренных напряжением питания
, перед
входом в емкостный промежуток первого резонатора будет равна:
, (1.1)
где
– заряд электрона;
m – масса электрона.
В первый (входной) резонатор 2 подается усиливаемый радиосигнал от внеш-
него источника. Соответственно на емкостном зазоре этого резонатора возникает
высокочастотное напряжение радиосигнала, которое складывается с напряжением
питания, в результате чего электроны, пролетающие емкостный зазор первого резо-
натора, будут ускоряться под действием суммарного напряжения
, (1.2)
где
– момент времени пролета электроном емкостного зазора первого резонатора;
– амплитуда первой гармоники радиосигнала на емкостном зазоре первого ре-
зонатора;
– частота радиосигнала.
Из (1.2) видно, что напряжение радиосигнала в течение положительных полу-
периодов вызывает дополнительное к
ускорение электронов в пучке, а в течение
отрицательных – их торможение. Таким образом, в дрейфовое пространство 3 элек-
троны пучка попадают с различными скоростями, зависящими от времени пролета
10
ими емкостного зазора первого резонатора
t
)(tv
0
1
0
10
sin
1
sin2
)(
E
tU
v
m
tUEe
tv
0
0
v
l
tn
0
E
0n
t
. С учетом (1.1) и (1.2) эти скорости
определяются соотношением:
. (1.3)
Выражение (1.3) можно трактовать как временной закон модуляции скорости
электронов пучка перед попаданием в дрейфовое пространство.
В пространстве дрейфа в идеале электроны летят по инерции, так как находят-
ся в поле одинакового потенциала, вследствие чего электроны, получившие доба-
вочное ускорение в первом резонаторе, будут догонять более медленные. В резуль-
тате пролета дрейфового пространства равномерный по плотности на его входе пу-
чок электронов превращается на его выходе в поток, состоящий из ряда пакетов. Ва-
риация скорости электронов на входе в дрейфовое пространство превращается на
выходе из него в вариацию электронного потока по плотности. Электронные слои,
получившие дополнительное ускорение от поля радиосигнала, движутся быстрее, и
поэтому время пролета ими дрейфового пространства будет меньше, чем среднее
, (1.4)
определяемое только
пролета дрейфового пространства по сравнению со средним
. Для электронов, замедленных полем радиосигнала, время
увеличится.
Возникшие пакеты электронов при пролете емкостного зазора второго выход-
ного резонатора 4 наводят на электродах переменное поле радиосигнала. Это поле
будет тормозящим для сгустков электронов и ускоряющим, когда через зазор про-
ходят разреженные части электронного потока. Такая фаза сигнала во втором резо-
наторе устанавливается автоматически при его настройке в резонанс на частоту ра-
диосигнала, что следует из принципа требования минимума потенциальной энергии
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]