Реферат: Электровакуумные приборы магнетронного типа

МИНИСТЕРСТВОВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГООБРАЗОВАНИЯ РФ.

ВоронежскийГосударственный Университет.

Физическийфакультет

КафедраЭлектроники

Реферат

Электровакуумные приборымагнетронного типа

Работу выполнил:

студент 3 курсагруппы компьютерная

электроника

_____________________________

Работу проверил:

________________

Воронеж 2006

СОДЕРЖАНИЕ

Введение -----------------------------------------------------------------------------------3

1 Движение заряженныхчастиц в скрещенном электрическом и магнитном полях----------------------------------------------------------------------------------------3

1.1 Уравнение траектории — 4

1.2 Группировка электронов в скрещенных полях — 7

2

Усилитель бегущей волны типа М--------------------------------------------------8 2.1 Отличие от ЛБВ типа О-----------------------------------------------------9

2.2

Принципиальная схема ЛБВ типа М, общее описание --------------9

2.3

Усиление ЛБВ типаМ------------------------------------------------------10

2.4Применение ЛБВ типа М---------------------------------------------------14

3Лампа обратной волны типа М-----------------------------------------------------14

3.1Принципиальная схема ЛОВ типа М, общее описание--------------14

3.2Пусковые условия в генераторе обратной волны типа М-----------16

3.3Усилитель обратной волны типа М--------------------------------------17

3.4Применение ЛОВ типа М--------------------------------------------------19

4 Магнетрон-----------------------------------------------------------------------------20

4.1Устройство магнетрона и принцип работы-----------------------------20

4.2Применение магнетронов--------------------------------------------------22

5 Список использованной литературы---------------------------------------------23

Введение

Работа СВЧ — генераторов или усилителей заключается в преобразованииэнергии источников постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний.Приборы СВЧ диапазона подразделяются на электровакуумные, электронно-плазменные, квантовые,полупроводниковые и плазменные, которые в свою очередь также подразделяются наподклассы. Класс электровакуумных приборов включает приборы, преобразующие кинетическуюэнергию свободных электронов, ускоренныхв вакууме, в энергию СВЧ колебаний. Этот класс приборов, получивших наибольшеераспространение, делится на три основных подкласса — приборы сэлектростатическим управлением электронным потоком (триоды, тетроды); приборы сдинамическим управлением электроннымпотоком, основанном на принципе скоростной модуляции, это приборы “О- типа” и,наконец, — приборы “М-типа”. Приборы“О-типа” имеют прямолинейную геометрию электронного потока в продольном внешнеммагнитном поле (клистроны, лампы бегущей и обратной волны, соответственно — ЛБВ, ЛОВ). В приборах “М-типа”модулированные электронные потоки формируются в результате дрейфового движенияэлектронов в скрещенных электрическом и магнитном полях (магнетроны, платинотроны, ЛБВ-М,ЛОВ-М). К приборам вакуумной электроники относится также подкласс релятивистскихприборов “О” и “М” типов, в которых используются сильноточные электронныепотоки больших энергий, когда релятивистский

g-факторзаметно отличается от 1 (релятивистские ЛОВ, магнетроны, а также гиротроны).Релятивистские приборы, являющиеся мощнейшими импульсными источниками СВЧполей, тем не менее, могут иметь ограничения по току из-за тормозящегоэлектроны отрицательного потенциала, возникающего в пучке из-за высокойплотности электронного объемного заряда. Для снятия токового ограничения в приборахплазменной СВЧ электроники используется компенсация объемного зарядаэлектронов пучка ионами плазмы,создаваемой специальными плазменными источниками. К квантовым приборам СВЧотносятся атомные и молекулярные генераторы, квантовые парамагнитные усилители,объединяемые термином “мазеры”. Класс полупроводниковых приборов СВЧ включает подклассы СВЧ транзисторов, диодов сотрицательным сопротивлением: лавинопролетных (ЛПД) и туннельных диодов, диодовГанна. Представителями класса плазменных СВЧ приборов можно считатьгазоразрядные генераторы шума.

В приборах М типа используется движенияэлектронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Рассмотрим, для начала, основныезакономерности движения заряженных частиц в таких полях [3].

1 Движение заряженныхчастиц в скрещенном электрическом и магнитном полях

1.1Уравнение траектории

На рис. 1 изображено пространство между катодом(внизу) и анодом вверху, к которым приложено постоянное напряжение <img src="/cache/referats/24759/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"><img src="/cache/referats/24759/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> по вертикали, ипронизанное силовыми линиями однородного магнитного <img src="/cache/referats/24759/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> поля поперек плоскостичертежа вглубь, как изображено на рисунке. Введем систему координат: y – вверхв плоскости чертежа, z – горизонтально направо в плоскости чертежа, x – вглубьпо нормали.

Рис. 1

В векторном виде уравнениядвижения для нерелятивистского электрона в системе Гаусса

<img src="/cache/referats/24759/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1028"> (1)

положим<img src="/cache/referats/24759/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1029">. В нашем плоском случае <img src="/cache/referats/24759/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1030">, <img src="/cache/referats/24759/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1031">, и уравнения принимают вид

<img src="/cache/referats/24759/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> (2)

Дифференцируяпо времени второе уравнение подставляем в него первое и получаем

<img src="/cache/referats/24759/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> (3)

Введяв рассмотрение циклотронную частоту <img src="/cache/referats/24759/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> перепишем вокончательном виде

<img src="/cache/referats/24759/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1035">. (4)

Дваждыинтегрируя это уравнение получаем решение в виде суммы общего решенияоднородного уравнения

<img src="/cache/referats/24759/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1036"> (5)

ичастного решения неоднородного уравнения<img src="/cache/referats/24759/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1037">. Дифференцируя по времени эторешение согласно второму уравнению из первоначальных уравнений движенияполучаем решение и для <img src="/cache/referats/24759/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1038">. Так получается параметрическоеописание зависимости скорости электрона от времени:

<img src="/cache/referats/24759/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1039"> (6)

Имеяначальные условия <img src="/cache/referats/24759/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1040">определяем неизвестныекоэффициенты при синусах и косинусах:

<img src="/cache/referats/24759/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> (7)

Дальнейшееинтегрирование при начальных <img src="/cache/referats/24759/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> параметрическое описание траектории отвремени:

<img src="/cache/referats/24759/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> (8)

Этоуравнения трохоиды — траектории всевозможных точек плоскости, катящейся одним своим фиксированным кругом попрямой (параллельно поверхности катода). Скорость движения центра круга <img src="/cache/referats/24759/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1044"> — скорость дрейфа.

Можновыделить два частных случая траекторий:

1) движение по прямой с постояннойскоростью <img src="/cache/referats/24759/image044.gif" v:shapes="_x0000_i1045">(точки совпадают с центромкруга), такой вариант движения электронов используется в ЛБВ-М,

2) первоначально покоившаяся частица <img src="/cache/referats/24759/image046.gif" v:shapes="_x0000_i1046">, будучи отпущенной всвободный полет из начальной точки <img src="/cache/referats/24759/image048.gif" v:shapes="_x0000_i1047">, совершает движение поциклоиде

<img src="/cache/referats/24759/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1048"> (9)

этотвариант используется в магнетроне. Высота вершины циклоиды достигает <img src="/cache/referats/24759/image052.gif" v:shapes="_x0000_i1049">, а максимальную скорость, какточка катящегося колеса, электрон приобретает на вершине циклоиды <img src="/cache/referats/24759/image054.gif" v:shapes="_x0000_i1050">

Вовсех случаях средняя скорость дрейфа – “скорость центра колеса” – равнаотношению напряженности электрического поля к индукции магнитного. Это ипонятно – ведь переход в систему отсчета, сопутствующую “центру колеса”,устраняет электрическое поле, то есть, после преобразования Лоренца над даннымэлектромагнитным полем, электрическое поле вообще исчезает, и движущийся соскоростью дрейфа наблюдатель видит равномерное вращение частиц в однородноммагнитном поле.

Благодаряэтому вдоль электродов можно создать электронный поток, двигающийся спостоянной средней скоростью <img src="/cache/referats/24759/image056.gif" v:shapes="_x0000_i1051">, и, если один из электродов –замедляющая система (обычно анод) с такой же замедленной фазовой скоростью, товозможно организовать взаимодействие электронного потока с бегущей волной – спрямой гармоникой – ЛБВ-М, с обратной гармоникой – ЛОВ-М.

Существуютдва варианта реализации такой структуры –

1)

– инжектироватьпоток извне в виде ленты параллельно катоду вдоль z, или

2)

— устроить электроннуюэмиссию на всей большой поверхности отрицательного электрода, то есть катод сраспределенной эмиссией ). Рис. 2

Впервом случае, показанном на рис. 2, применяют так называемую короткую электронно– оптическую систему инжекции. Электроны, вытягиваемые из катода электрическимполем ускоряющего электрода, успевают пролететь только половину циклоиды к томумоменту, как попадают во вдвое усиленное электрическое поле, в котором ихскорость оказывается в точности равной скорости дрейфа, и далее продолжают ужепрямолинейное движение в сторону коллектора, не приближаясь к аноду илиотрицательному электроду.

1.2 Группировка электронов в скрещенных полях

Аналогичнорешению для замедляющей системы в виде плоской стенки, поле замедляющей системыс двумя стенками является решением уравнения Гельмгольца, и описываетсягиперболическими функциями, являющимися суперпозицией двух затухающихэкспонент. Поперечное поле <img src="/cache/referats/24759/image060.gif" v:shapes="_x0000_i1052"> описывается гиперболическим косинусом сминимумом на плоском отрицательном электроде, где координата y=0, а продольное поле, естественно, на плоскойметаллической стенке, равно нулю, и, поэтому, продольные компоненты полязамедленной волны описывается гиперболическим синусом. <img src="/cache/referats/24759/image062.gif" v:shapes="_x0000_i1053">, <img src="/cache/referats/24759/image064.gif" v:shapes="_x0000_i1054">, они экспоненциально спадаютпри удалении от замедляющей системы.

Рассмотримдействие на электронный поток электрического поля замедленной волны, движущейсясо скоростью дрейфа электронов. Там, где поперечное электрическое поле <img src="/cache/referats/24759/image060.gif" v:shapes="_x0000_i1055"> замедленное, волны складывается с постояннымэлектрическим полем анода <img src="/cache/referats/24759/image069.gif" v:shapes="_x0000_i1056">, оно ускоряет дрейфэлектронов и подгоняет их в зону, где продольное электрическое поле замедленнойволны <img src="/cache/referats/24759/image071.gif" v:shapes="_x0000_i1057"> отнимает у них энергию. Там, где <img src="/cache/referats/24759/image060.gif" v:shapes="_x0000_i1058"> вычитается из постоянного электрического поля <img src="/cache/referats/24759/image069.gif" v:shapes="_x0000_i1059">, скорость дрейфа электроновуменьшается, и они оттягиваются из зоны, где <img src="/cache/referats/24759/image071.gif" v:shapes="_x0000_i1060"> отдает им энергию бегущей замедленной волны.Средняя скорость дрейфа при этом сохраняется, синхронизм не нарушается, иэлектроны, сгруппированные в зоне торможения, дрейфуют приближаясь к аноду попоказанным на рисунке линиям, перпендикулярным суммарному электрическому ипостоянному магнитному полю. Работа, совершаемая над электронами постоянныманодным электрическим полем, на каждом витке трохоиды отдается в энергиюбегущей электромагнитной волны. Таким образом, поперечное поле волны <img src="/cache/referats/24759/image060.gif" v:shapes="_x0000_i1061"> обеспечивает группировку, а продольное <img src="/cache/referats/24759/image071.gif" v:shapes="_x0000_i1062"> забирает лишнюю кинетическую энергию. В результате,электроны (в среднем) теряют только всю потенциальную энергию относительнопотенциала анода, и из этих соображений не трудно оценить КПД ЛБВ-М, зная всюсообщаемую электронам энергию, и долю, отдаваемую ими СВЧ полю: <img src="/cache/referats/24759/image075.gif" v:shapes="_x0000_i1063">.

Навходе в замедляющую систему электроны имеют сумму кинетической и потенциальнойэнергии <img src="/cache/referats/24759/image077.gif" v:shapes="_x0000_i1064">. Кинетическая энергия,связанная со скоростью дрейфа, в среднем не меняется, и при ударе электрона ванод теряется в виде тепла. Электрон расходует на раскачку СВЧ поля своюпотенциальную энергию <img src="/cache/referats/24759/image079.gif" v:shapes="_x0000_i1065">, где <img src="/cache/referats/24759/image081.gif" v:shapes="_x0000_i1066"> — потенциал в точке влета — при достижениианода он становится равным нулю. Поскольку эммитирующий электроны катод, иотрицательный электрод замедляющей системы находятся под одинаковымпотенциалом, кинетическая энергия, приобретенная электроном в системе инжекцииравна <img src="/cache/referats/24759/image083.gif" v:shapes="_x0000_i1067">, и электронный <img src="/cache/referats/24759/image085.gif" v:shapes="_x0000_i1068">. Потенциал в точке влеталинейно зависит от координаты y: <img src="/cache/referats/24759/image087.gif" v:shapes="_x0000_i1069">. Поэтому <img src="/cache/referats/24759/image089.gif" v:shapes="_x0000_i1070">, а координата высоты точкивлета <img src="/cache/referats/24759/image091.gif" v:shapes="_x0000_i1071"> . Таким образом, КПД тем больше, чем ближе ккатоду и отрицательному электроду ввод электронов в замедляющую систему, тоесть чем сильнее магнитное поле. Но, при приближении ленточного пучка кгладкому отрицательному электроду, уменьшается до нуля продольная составляющаяэлектрического поля замедленной волны, и соответственно, уменьшаетсясопротивление связи, а с ним и коэффициент усиления. Поэтому на практике КПД уЛБВ-М и ЛОВ-М имеет величину 30%-50%, — в 2-3 раза выше чем у приборов О-типа.Для примера параметры одной ЛБВ-М: средняя длина волны 3.5 см, мощность 1.5кВт, <img src="/cache/referats/24759/image093.gif" v:shapes="_x0000_i1072">, Ку = 24дБ, КПД30%.

Рассмотримподробнее некоторые из СВЧ – приборов “М типа”.

2 Усилитель бегущей волны типа М

2.1Отличие от ЛБВ типа О

В ЛБВ типа М, в отличие от ЛБВО, существуют две существенныеособенности:

1) наиболее благоприятное взаимодействие электронов с бегущейволной и передача энергии от электронов к полю происходят при точном равенствесредней скорости электронов и фазовой скорости волны (<img src="/cache/referats/24759/image095.gif" v:shapes="_x0000_i1073">. Напротив, дляпередачи энергии от электронов к полю в ЛБВ типа О требуется, чтобы электроныдвигались чуть быстрее.

2) в ЛБВ-О электроны отдают полю только избыточную кинетическуюэнергию, соответствующую разности скоростейэлектронов и волны. КПД ограничен допустимой разностью этих скоростей. Энергия,передаваемая полю, берется от источника ускоряющего напряжения U0. В ЛБВМ же кинетическая энергияэлектронов не меняется, а полю передается потенциальнаяэнергия электронов.

2.2 Принципиальная схема ЛБВ типа М, общее описание

Устройство усилительной лампы бегущей волны (ЛБВ) типа М показано на рис. 3

Рис. 3 ЛБВ типа М

Электронный поток, эмиттируемыйкатодом, под действием поля управляющего электрода и внешнего магнитного поля,движется по циклоидальной траектории и затем вводится в пространствовзаимодействия, образованное замедляющей системой и основанием. В дальнейшемтраектория пучка близка к прямолинейной. Высокочастотный сигнал поступает черезсогласованный вход СВЧ ираспространяется вдоль замедляющей системы. Если скорость дрейфа электроновподобрана равной фазовой скорости волны в системе, то пучок отдает потенциальнуюэнергию волне, и последняя увеличивает свою амплитуду. Через согласованныйвыход СВЧ, мощность поступает в нагрузку. В процессе взаимодействия электроныотдают свою энергию ВЧ полю и поднимаются к аноду (замедляющая система). Тачасть электронов, которая не попала на замедляющую систему, выводиться наколлектор. Для предотвращения самовозбуждения усилителя, вход и выходзамедляющей системы развязаны локальным поглотителем.

Схема распределения напряжений такова.Катод находится под нулевым потенциалом, основание имеет отрицательный илинулевой потенциал, управляющий электрод и замедляющая система находятся подразличными положительными потенциалами, относительно катода. Коллектор имеетположительный потенциал.

2.3 Усиление ЛБВ типа М

В линейной теории,при пренебрежении пространственным зарядом, в условиях холодного синхронизма (

<img src="/cache/referats/24759/image099.gif" v:shapes="_x0000_i1076">), показано [1], что поле вдоль оси лампы меняетсяследующим образом:

(10)

Поле представляет собой сумму двухпарциальных горячих волн (одна с растущей амплитудой, другая с падающейамплитудой), распространяющихся в прямом направлении вдоль оси

z.

Где

<img src="/cache/referats/24759/image107.gif" v:shapes="_x0000_i1080"> — фазовая постоянная,<img src="/cache/referats/24759/image109.gif" v:shapes="_x0000_i1081"> — параметр усиления, <img src="/cache/referats/24759/image111.gif" v:shapes="_x0000_i1082"> — ток, <img src="/cache/referats/24759/image113.gif" v:shapes="_x0000_i1083"> — половина напряжения на замедляющей системе, <img src="/cache/referats/24759/image115.gif" v:shapes="_x0000_i1084"> — циклотронная частота, <img src="/cache/referats/24759/image117.gif" v:shapes="_x0000_i1085"> - волновое сопротивление замедляющей системы, <img src="/cache/referats/24759/image119.gif" v:shapes="_x0000_i1086">- скоростьневозмущенных электронов, <img src="/cache/referats/24759/image121.gif" v:shapes="_x0000_i1087"> - фазовая скорость волны в “холодной” системе. Учитывая,что <img src="/cache/referats/24759/image123.gif" v:shapes="_x0000_i1088"> и вводя электрическую длину лампы <img src="/cache/referats/24759/image125.gif" v:shapes="_x0000_i1089">, получим:

(11)

Или в децибелах

В [1]показано, что при больших длинах лампы, коэффициент усиления можно записать так:

(13)

Вобщем случае, при наличии рассинхронизма <img src="/cache/referats/24759/image133.gif" v:shapes="_x0000_i1093">

(14)

гдеА – начальные потери на образование нарастающей (горячей) волны. В режимехолодного синхронизма, входной сигнал расщепляется на два одинаковых парциальныхсигнала и усиливается фактически лишь половина входного сигнала. <img src="/cache/referats/24759/image137.gif" v:shapes="_x0000_i1095"> — фактор усиления.

SHAPE * MERGEFORMAT

-2 -1 0 1 2 b

рис.4

зависимость фактора усиления Bот параметра расстройки б. 1- без учета пространственного заряда, 2 – с учетом пространственного заряда.

B, дб

-A, дб

-2 -1 0 1 2 b

рис.5

зависимость начальных потерь А от параметра расстройки б. 1- без учета пространственного заряда, 2 – с учетом пространственного заряда.

SHAPE * MERGEFORMAT

-2 -1 0 1 2 b

рис.4

зависимость фактора усиления Bот параметра расстройки б.

B, дб

-A, дб

-2 -1 0 1 2 b

рис.5

Рассмотренное в[1] линейное приближение применимо для малых уровней входного сигнала. Но вприборах со скрещенными полями усиление малых сигналовзатруднительно, из-за высокого уровня собственных шумов, вследствие паразитныхколебаний в области формирования электронного луча, а также взаимодействияэлектронов с отраженной волной. В большинстве приборов <a href=«ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%9E%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D1%81%D0%B8%D0%B3%D0%BD%D0%B0%D0%BB_-_%D1%88%D1%83%D0%BC&action=»edit" title=«Отношение сигнал — шум»>отношениемощности полезного сигнала к мощности шумов не превышает 40 дБ. Поэтомунеобходим нелинейный анализ таких устройств.

Приведем основные результатынелинейной теории ЛБВ типа М, полученные в [2] для параметра рассинхронизма b=0.

Вычислениевыходной мощности и кпд производится на основе известных выражений:

<span Times New Roman",«serif»;mso-bidi-font-weight:

еще рефераты

Еще работы по радиоэлекторонике. физике

Реферат по радиоэлекторонике. физике

Применение pin диодов

29 Августа 2013