МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра РТЭ

Балл 7.5

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ №2

по дисциплине «Микроволновая электроника»

Вариант 7_04

Студент гр. 5207		Иванов А.Д.
Преподаватель		Иванов В.А.

Санкт-Петербург

2018

1. Из представленного списка выберете «свой» прибор согласно правилу

. Если Ваш номер превышает число 11, то

Для этого прибора опишите:

• конструкцию и принцип действия, используя: классический гидродинамический подход и квантовый подход.

• «Изобретите» гибридный прибор, используя «свой» прибор и любой из представленных 11-ти.

• Оцените характерный размер области взаимодействия прибора, если он работает на частоте .

Гидродинамический подход.

Электронный пучок, имевший первоначально постоянную плотность, преобразуется в последовательность электронных групп. Частота следования групп соответствует частоте модулирующего пучок переменного напряжения на зазоре резонатора. Для поддержания колебаний в резонаторе необходимо, чтобы группы возвращались в зазор резонатора в полупериод переменного напряжения, который является для нее тормозящим. Здесь следует помнить, что для электронов, возвращающихся зазор взаимодействия из пространства резонатор – отражатель тормозящим является тот полупериод напряжения, который для электронов, движущихся в прямом направлении, был ускоряющим. При торможении электронной группы происходит передача энергии от электронного пучка полю резонатора. Поскольку группы содержат большую часть электронов пучка, энергия, передаваемая полю, превышает потери энергии на ускорение электронов, не входящих в группу и пролетающих зазор резонатора в ускоряющий полупериод.

Как видно из рисунка, электроны, прошедшие сетку резонатора в разные моменты времени, возвращаясь обратно к резонатору, сближаются, образуя группы (сгустки). Центрами электронных групп являются электроны, проходящие зазор взаимодействия в момент нулевого переменного напряжения при его переходе от ускоряющего к тормозящему.

Квантовый подход

Электронный пучок формируется и укоряется электронной пушкой 1 и поступает в зазор взаимодействия резонатора 2. Допустим, что резонатор возбужден и на его зазоре существует переменное напряжение U=U_msin(ωt). В пространстве между резонатором и отражателем все электроны тормозятся полем отражателя до полной остановки и возвращаются обратно к резонатору. Ускоренные в резонаторе электроны, обладая большей энергией, подходят ближе к отражателю, их путь и время движения в пространстве группирования оказываются большими, чем у замедленных электронов. Пространственно-временная диаграмма, представленная на рис. 3.19, иллюстрирует процесс группирования и позволяет определить фазовые условия, при которых возвращающиеся в зазор взаимодействия электроны будут передавать свою энергию полю резонатора и поддерживать возникшие в нем колебания.

Оценка области взаимодействия:

Дано:

f = 6 GHz

U0=2500 V

Найти:

L

Решение:

;

При данных условиях область взаимодействия будет порядка 2.5 мм.

Гибрид

Можно попробовать совместить триод и отражательный клистрон, получив в итоге отражательный клистрод. Такой прибор должен иметь КПД меньшее, чем у обычного клистрода, но в нашем приборе можно за счет тормозящего поля в области резонатор-отражатель дополнительно модулировать электронные потоки, еще больше группируя их или, наоборот, растягивая.

Источники: материалы к лекции 7, 8

Где квантовый подход?

Гибридный прибор – уж с ежом.

Неверен расчет длины области взаимодействия!

Балл 1.5

2. Приборы с квазистатическим управлением. Триод.

Рассчитать углы пролета носителей заряда в промежутке катод-сетка триода, работающего в одном из режимов А, В или С (выберите самостоятельно). Фазы вылета с катода задать от 0 до 360⁰. Рабочая частота , расстояние катод-сетка 0.1*, постоянное напряжение на аноде 100* , проницаемость сетки 0,01*(. Рассчитайте для этих углов коэффициент взаимодействия. Используя полученные результаты, объясните, почему триоды неэффективны на высоких частотах.

Дано:

Найти:

1. Диапазон углов пролёта в промежутке катод-сетка;

2. Рассчитать для этих углов коэффициент взаимодействия.

Решение:

Рис.1 Модуляция катодного тока в режиме класса А

Класс А характеризуется использование только прямолинейного участка управляющей характеристики, лежащего в области . Благодаря этому обеспечивается минимальное искажение формы катодного (и анодного тока) по отношению к форме управляющего напряжения.

Диапазон изменения напряжения для класса A от напряжения, чуть большего, чем напряжение запирания до 0. Тогда найдем Uc_зап

Найдём угол пролёта электронов:

Найдём коэффициент взаимодействия:

Почему триоды неэффективны на высоких частотах?

Чтобы электроны отдавали энергию на высоких частотах (а не возвращались назад из-за высокой частоты), нужно уменьшить время пролета либо уменьшив расстояние между электродами, либо увеличив скорость элекронов путем повышения напряжения. Из-за ограниченной рассеиваемой мощности мы не можем сильно поднимать напряжения. Остается уменьшать межэлектродное расстояние, что, наверняка, сопряжено с определенными сложностями в производстве. Также не стоит забывать, что на высоких частотах из-за больших междуэлектронных емкостей вносятся искажения в усиливаемый сигнал.

Ответ:

1. Диапазон углов пролёта электронов в промежутке катод-сетка для триода:

2. коэффициенты взаимодействия для этих углов и

3. Объяснено

Источник: КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ВАКУУМНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ (Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника»)

Балл 2

3. Приборы с динамическим управлением. Клистрон.

Рассчитать угол пролета, при котором электрон, попавший в ускоряющую фазу напряжения, догонит электрон, попавший в тормозящую фазу. Расчет провести в кинематическом приближении. При расчетах принять: постоянное ускоряющее напряжение , длину зазора (область взаимодействия) , глубину скоростной модуляции , рабочая частота .

Как изменится процесс группирования при учете сил пространственного заряда, если ток луча равен , а диаметр луча ? На каком расстоянии от середины модулирующего зазора будет максимальная группировка?

Дано:

Найти:

1. θ

2. 

3. 

Решение:

1. В кинематическом приближении пренебрегается взаимодействие между электронами. При этом можно считать, что переменная скорость, которую электроны получили в зазоре взаимодействия резонатора, остается неизменной при их дальнейшем движении в трубе дрейфа.

Слой 1 вошел в трубу дрейфа в момент времени t₁ со скоростью υ₁ несколько меньшей, чем скорость υ₀ , υ₁ = υ₀-υ. Слой 2 вошел в трубу дрейфа позже, в момент времени t₂ = t₁+t₁, но с большей скоростью υ₂ = υ₀+υ. Слой 0, занимающий промежуточное положение, вошел в трубу дрейфа в момент времени t₂ = t₁+t₁/2 со скоростью υ₀.

Предположим, что в некоторой плоскости на расстоянии l от входа в дрейфовую трубку, электроны встретятся. Тогда электрон, двигающийся в тормозящей фазе, пересечет эту плоскость через время , а двигающийся в ускоряющей фазе – через . Группировка будет происходить при условии равенства времён . Теперь подставим переменные и преобразуем, чтобы выразить :

с учётом и получим:

и, так как :

,

2. поправка, учитывающая кулоновское взаимодействие, т.е в первом случае

С учетом кулоновского взаимодействия:

3. при т.е.

Тогда расстояние от середины модулирующего зазора равно:

Ответы:

1. 

2. (без учета кулоновского взаимодействия)

(с учетом кулоновского взаимодействия)

3. 

Балл 1.5

4. Приборы с динамическим управлением. ЛБВ.

Провести расчет параметров спиральной замедляющей системы (ЗС) для ЛБВ.

Исходные для расчета (заданные) величины:

• Коэффициент усиления по мощности

• Первеанс электронного пучка

• Радиус электронного пучка

• Отношение радиуса пучка к радиусу спирали

• Ускоряющее напряжение пучка

• Ускоряющее напряжение различно для различных вариантов

вычисляется по правилу: .

Определяются следующие величины и параметры:

Ток и мощность электронного пучка – I_0, P₀

• Скорость электронного пучка

• Шаг спиральной ЗС – p, при котором выполняются условия синхронизма движения пучка и электромагнитной волны

• Длина спиральной ЗС, которая обеспечивает заданное значение коэффициента усиления

Для расчетов могут быть использованы следующие соотношения:

,

Где - постоянная усиления, при ее расчете сопротивление связи принять равным ,

– длина замедляющей системы, выраженная в длинах замедленных волн

Дано:

;

;

;

;

;

.

Найти:

1. Ток и мощность электронного пучка ;

2. Скорость электронного пучка ;

3. Шаг спиральной ЗС – p, при котором выполняются условия синхронизма движения пучка и электромагнитной волны;

4. Длину спиральной ЗС, которая обеспечивает заданное значение коэффициента усиления .

Решение:

1. мА

2. 

3. 

, где n – коэф.замедления, а – радиус спирали, р – шаг спирали

4. Найдём постоянную усиления:

=

Коэффициент усиления в каноническом виде:

()

Ответы:

1. 

2. 

3. 

4. 

Источник: материалы к лекции №10 ч.2

Балл 1

5. Приборы с динамическим управлением. Приборы М-типа

1. Рассчитать значение критической магнитной индукции для значения d = 0,3 см и значения потенциала U_a из задачи № 4