МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра РТЭ
7.75 Балл
отчет
по самостоятельной работе №2
по дисциплине «Микроволновая электроника» Тема: Вакуумные приборы
Выполнил: Овсянников А.И. Группа № 8204
Проверил: Иванов В. А.
Санкт-Петербург
2021
При выполнении Задания №2 используется следующий нумерованный список вакуумных приборов, изучаемых в курсе:
-
Порядковый номер прибора Nпр
Название
5
Триод и тетрод
2
Клистрон
4
Отражательный клистрон
1
ЛБВ-О типа
7
ЛОВ О типа
10
Магнетрон
6
Митрон
9
ЛБВ-М типа
11
Гироторон
8
Убитрон
3
Лазер на свободных электронах
Задача №1.
Из представленного списка выберете «свой» прибор согласно правилу
. Если Ваш номер превышает число 11, то
Для этого прибора опишите:
Конструкцию;
Принцип действия, используя: гидродинамический подход и формулу
, квантовый подход и индивидуальное излучение заряженных частиц.
Оцените размер прибора, если он работает на частоте
f =Nstudent 5(ГГц) . Мощность, коэффициент усиления, другие параметры -
выберите самостоятельно, согласно типовым параметрам данного типа
приборов.
Решение:
Лампа бегущей волны - электронно-вакуумный прибор СВЧ диапазона, работа которого основана на длительном взаимодействии электронного потока поля усиливаемого сигнала, движущихся вдоль однородной замедляющей системы.
Рисунок 1 – Принципиальная схема ЛБВ М-типа
Лампа имеет две основные части: инжектирующее устройство и пространство взаимодействия (рис. 1). Инжектирующее устройство, состоящее из подогреваемого катода и управляющего электрода, обеспечивает создание ленточного электронного потока и ввод его в пространство взаимодействия. Пространство взаимодействия, состоящее из волноводного входа СВЧ, поглотителя, замедляющей системы (анода), волноводного выхода СВЧ, коллектора и холодного катода (пластина с выводом U0), обеспечивает взаимодействие электронов с СВЧ-полем.
Принцип действия, используя: гидродинамический подход и формулу , квантовый подход и индивидуальное излучение заряженных частиц.
Гидродинамический подход отображает процесс создания электронного сгустка.
Рассмотрим особенности движения электронов в скрещенных полях на примере движения электронов в плоском диодном промежутке, погружённом в однородное магнитное поле. На катод подадим отрицательный потенциал. Напряжённость электрического поля имеет только одну y-составляющую. , которая направлена от анодного электрода в сторону катода. Абсолютное значение напряжённости определяется приложенной разностью потенциалов Ua и междуэлектродным расстоянием d, .
Магнитное поле однородно и имеет только одну х-составляющую индукции, направленную перпендикулярно плоскости чертежа .
Пусть движение электронов происходит в плоскости yz, тогда:
Рисунок 2 – Изображение движения электрона в скрещенных полях
На электрон, находящийся в произвольной точке М и имеющий скорость v, действуют две силы: электрическая Fэл и магнитная Fм
Так как Ex = Ez = 0, Ey = E0, By = Bz = 0 и Bx = - B, то:
Тогда можно записать следующую систему, описывающую уравнение движения:
Используем уравнение непрерывности:
Для определения поля объёмного заряда воспользуемся законом полного тока:
Электронный поток считаем бесконечно длинным. По переменному току он незамкнут, поэтому для (*) положим, что Const = 0. Соответственно, перейдя к комплексным амплитудам, получаем, что:
Рисунок 3 – Скриншот из презентации к лекции с необходимой формулой
Рисунок 4 – Влияние продольной и поперечной составляющих поля
Если имеется только продольная составляющая поля Ez, то направление переносной скорости определяется векторным произведением [Ez,B], когда Ez – тормозящее поле, переносное движение идёт вверх, при ускоряющем поле – вниз, как показано на рисунке 4. Таким образом, продольная составляющая поля Ez определяет вертикальное движение электронов: в тормозящем поле смещаются вверх к положительному электроду, п в ускоряющем – вниз, к отрицательному электроду.
Если рассматривать только поперечную составляющую СВЧ-поля Ey, то аналогично можно говорить о движении с переносной скоростью , направление которой перпендикулярно векторам B и , т. е. совпадает с направлением z’ и z. Знак скорости должен определяться векторным произведением или , если . При скорость направлена против оси z, а при - по оси z. Следовательно, поперечная составляющая СВЧ-поля Ey влияет на продольное движение (по координате z).
Таким образом, поперечная составляющая поля Ey приводит к группированию электронов в тормозящей области поля и разгруппированию электронов в ускоряющей области СВЧ-поля.
Квантовый подход описывает процесс передачи энергии от сгруппированного потока электронов (сгустку) полю:
В ЛБВ М-типа объемная плотность электронного потока остается постоянной, так как одновременно с продольным группированием происходит увеличение сечения пучка.
Передача потенциальной энергии электронного потока СВЧ-полю в приборах типа М объясняется тем, что электроны в тормозящем СВЧ-поле смещены в область с большим потенциалом статического поля, так что их потенциальная энергия превышает потенциальную энергию электронов в ускоряющем СВЧ-поле.
В конце пути электроны попадут на коллектор. Однако, если амплитуда СВЧ-сигнала велика, электроны могут попасть раньше на верхний положительный электрод ЗС. Эти электроны отдают полностью свою потенциальную энергию СВЧ-полю. Линейная связь выходного и входного сигналов наблюдается до тех пор, пока электроны не начнут попадать вблизи коллектора на анод ЗС. С дальнейшим повышением входного сигнала все большее число электронов будет попадать на анод, причем точка попадания электронов смещается влево. В этом случае замедляется рост выходной мощности, а коэффициент усиления ЛБВМ начинает уменьшаться. При некотором входном сигнале наступает режим насыщения.
При работе прибора на частоте можно оценить продольное сечение ЛБВ лампы:
Дано:
;
.
Решение:
Ответ:
Длина ЛБВ при данных условиях для достижения фазового синхронизма должна равняться 0,179 м.
Источник:
Сушков А. Д. Вакуумная электроника: Физико-технические основы: Учебное пособие. – СПб.: Издательство «Лань», 2004. – 464 c.: ил. – (Учебники для вузов. Специальная литература).
Материалы для 7 лекции «Приборы с динамическим управлением: ЛБВ и ЛОВ».
Материалы для 5 лекции «Вакуумная квазистатика».