29_kospect_electro (555831), страница 23
Текст из файла (страница 23)
напр.Uотр-отрицат.напряжение на отражателеl-расстояние между второй сеткой и отражателем.Рассмтривая движение электронов в поле отражателяt1-время пролета электрона через резонатор.t2-время его возвращенияMU2MVVобозначая τ пр = t 2 − t1 =(t пр = 2 ) V = V0 (1 + 1 1 sin wt ) ; θ пр = wt прeEa2U 0X = ( M 1U 1θ пр / 2U 0 )(16.23)-параметр группировкиωt 2 = ωt1 + θ пр + X sin ωt1(16.24)-уравнение группированияwt1-фаза переменного напряжения в момент возвращения электрона в резонаторwt2-фаза переменного напряжения в момент вылета электрона из резонатораЭто уравнение отличается от урав-ния группирования в пролетном клистроне знаком перед последнимслагаемым, т.к.группирование идет около невозмущенного электрона, смещенного на полпериода посравнению с пролетным клистроном∞2ωmlV0I0-> i2 (t 2 ) = I 0 + ∑ I m cos(ωt 2 − θ 0 ) θ пр =(16.25)i2 =1 + X cos ωt1e(U 0 + U отр )m =1Амплитуда первой гармоники конвекционного тока I 1 = 2 I 0 J 1 ( X )Амплитуда первой гармоники наведенного тока I нав (1) = M 1 I 1 = 2 I 0 M 1 J 1 ( X )M1 -коэффициент электронного взаимодействия.При оптимальном угле пролета максимальная мощность электрического взаимодействияP = I навU12К изменению сдвига фазы между гармоникой наведенного тока и напряжением на резонаторе.Последнее эквивалентно изменению активной и реактивной проводимостей, вносимых в резонаторэлектронным потоком.В центре зоны генерации угол пролета электрона θ 0 = 2π (n + 3 / 4) ,первая гармоника наведенного токасовпадает по фазе с напряжением между сетками резонатора, реактивная составляющая электроннойпроводимости равна нулю, а частота совпадает с собственной частотой резонатора.Изменение частоты ∆ω от значения в центре зоны ω 0 определяется фазо-частотной характеристикойрезонатора, который должен скомпенсировать фазовый сдвиг, вносимый электронным потоком.Рис.16.18 Иллюстрация механизма электронной перестройки частоты вотражательном клистроне.1-сгусток электронов приходит в момент максимума переменного напряжения на резонаторе; ток,питающий контур, совпадает по фазе с напряжением на контуре, это условие резонанса колебательнойсистемы, проводимость контура имеет чисто активный характер, частота колебаний равна резонанснойчастоте контура.2-Сгусток приходит раньше максимума, ток опережает напряжение, проводимость резонатора станетемкостной частота генерируемых колебаний увеличится.3-Сгусток приходит позже максимума, проводимость контура становится индуктивной, частотаколебаний в контуре уменьшается.ФЧХ определяется нагруженной добротностью резонатораω0 C12π (n + 3 / 4)∆ω=−tg[∆U отр] ; QH =провод нагр.(16.26)2QHU о − U отрω0GH + GPДиапазон электронной перестройки определяется максимально допустимыми углами пролетаэлектронов от оптимальных значений.Диапазон электронной перестройки обычно сопровождается изменением мощности на 0,5 отмаксимальнойв центре зоны генерацииПри конструировании отражательных клистронов стремятся к линейной зависимости частоты от U отр .Диапазон электронной перестройки возрастает с увеличением Iо,с уменьшением Uо и при переходе кобластям колебаний0,5-1%-диапазоны электронной перестройки.Применение отражательных клистронов-в различной аппаратуре в качестве маломощных генераторов.
Преимущество по сравнению с другимималомощными генераторами СВЧ - в конструктивной простоте и возможности электроннойперестройки.Их высокая надежность, не требуются фокусирующие системы.Используются в качестве генераторов СВЧ- применяются в измерительной аппаратуре, в маломощныхпередатчиках, в радионавигационной аппаратуре.Выполняются в стеклянном и металлическом оформлении, механическая перестройкаИспользуются для частотной модуляции.Мощность и электронный КПД отражательного клистрона ≈ XJ 1 ( X ) Оптимальный параметргруппирования, соответствующий максимуму мощности Хопт=2,41 (в пролетном клистроне Х=1,84)Рис 16.19 Зависимость мощности в центрах зон от параметраMUθгруппирования X = 1 1 02U 0КПД изменяется по зонам припри n=0 η =53%при n=1 η 22,7%при n=2 η 14,5%Лекция 22.
Физические процессы в лампе бегущей волныУсловие передачи энергии от электронного пучка СВЧ волне в приборах типа «О». Процессгруппирования электронов в ЛБВ типа «О». Назначение, виды и свойства замедляющих систем.Лампойбегущей волны типа О называется электронный прибор СВЧ диапазона, в которомосуществляется длительное взаимодействие сгруппированного потока электронов, движущихся в продольномэлектрическом и магнитном полях, с волной, распространяющейся вдоль замедляющей системы.Поясним, чем вызвана разработка приборов типа ЛБВ. В клистроне электроны отдают энергию в течениикороткого промежутка времени; для увеличения мощности взаимодействия в пролётных клистронах необходимоувеличивать амплитуду высокочастотного электрического поля в резонаторе. Для этого следует увеличиватьдобротность резонаторов, что сгущает рабочую полосу частот. Узкополосность является одним из основныхнедостатков усилительных клистронов.Для создания широкополосных приборов необходимо использовать принцип непрерывного длительноговзаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательнойсистеме.
В приборах с длительным взаимодействием, так же как и в клистронах, используется модуляцияскорости электронов и плотности электронного потока. При достаточно слабом входном сигнале в результатедлительного взаимодействия электронов с полем бегущей волны получается необходимое группированиеэлектронов.
Обмен энергией между электронами и полем происходит в результате взаимодействия электронов ссоставляющей напряжённости электрического поля, совпадающей по направлению со скоростью электронов.Представим продольную составляющую поля Еz в виде бегущей волны(1)E z = E 0 exp j (ω t − β z ) ,β = ω / ν ф ; ν ф - фазовая скорость волны.
Для эффективного взаимодействиянеобходимо, чтобы скорость электрона, ν была приближённо равна фазовой скорости электромагнитной волныν ф в направлении движения электронов. Это условие фазового синхронизма ν ≈ ν ф .в которой β – волновое число;Скорость электронов всегда меньше скорости света в свободном пространстве, поэтому необходимо длявыполнения условия фазового синхронизма уменьшить фазовую скорость волны. В связи с этим в СВЧэлектронном приборе используются замедляющие системы.Процесс группирования электронов при взаимодействии с бегущей электромагнитной волной поясним напространственно временной диаграмме.
На рис. 1 представлены графики движения электронов в системекоординат, которая движется вдоль оси z (на оси замедляющей системы) со скоростью vФ (фазовой скоростьюволны)Для получения эффективного взаимодействия электронного потока с волной требуется примерное равенствофазовой скорости волны и скорости электронов.При входе в область взаимодействия (замедляющую систему) в зависимости от фазы СВЧ поля электронытормозятся или ускоряются этим полем.
При определенных скоростях движение электронов и волны сгусткиобразуются в той части бегущей волны, где электроны тормозятся. При движении электронов с волной онипостепенно тормозятся передавая кинетическую энергию волне, амплитуда которой возрастает, достигаявеличины, значительно превышающей амплитуду сигнала на входе.а)б)в)Рис. 1. Графическое представление группирования электронов вполе бегущей СВЧ волны.Пунктиром обозначено движение электронов, не взаимодействующих с полем СВЧ волныПри V0=Vф, электроны отстают от волны и образуют сгусток в ускоряющей полуволне поля и сгустокотбирает энергию от волны. При V0<Vф электроны обгоняют волну, большая часть электронов группируется втормозящей фазе волны, энергия, отдаваемая электронами в сгустке волне, преобладает по сравнению с энергией,передаваемой электронам.
Пока сгусток электронов не выходит из тормозящей фазы поля проходит увеличениеэнергии поля, рост амплитуды волны, кинематическая энергия сгустков электронов уменьшается. При большихν 0 > ν Ф электрон быстро опережает волну и поочередно проходит через ускоряющие и тормозящие полуволныполя, в среднем не отдавая и не получая энергии. Обычно ν 0 − ν T не более 5-10%.Процесс группирования ЛБВ при различных соотношениях скоростей электронов и волн на примере трехэлектронов, расположенных в начальный момент времени t0 в замедляющей (1), нейтральной (2) и ускоряющей(3) фазах.При t2>t1Ve= VфVe>VфПри t2Уск.
фаза1Замедл. фаза23 123lll2l2При t1=t03 2 1FFF=0При t112 3lll1l1При t03 2 1FFl0lF=01 2 3При t0ll0Рис. 7. Графическое пояснение группирования электронов в поле бегущей СВЧ волныФазовая скорость волны в линиях передачи равна скорости света или превышает её (ν ф ≥ c) .Необходимо замедление, уменьшение фазовой скорости до значений ν T << cc505( U 0 -уск. Напр. В вольтах). Необходимое условие взаимодействия — наличие продольной=νTU0составляющей электрического поля.Рис. 2.
Принципиальная схема ЛБВ17.3 Замедляющие системыСпособы замедления электромагнитных волнсВ диэлектрике ν ф =( ξ - диэлектрическая проницаемостьξµ(17.3)µ - магнитная проницаемость)Значительного уменьшения ν T не получается (должно быть ξ >100)Диэлектрики в волноводах.Высокочастотные потери в диэлектрике.Разновидности замедляющих системНа основе линий передачи с периодически изменяющимся сечением или с периодическиизменяющимися неоднородностями.а) СпиральнаяvФ zzб) Цилиндрический диафрагмированный волноводв) Коаксиальный кабель с гофрированным центральным электродомг) Гребёнка (штыревая)д) Двойная гребёнкае) Цепочка связанных резонаторовОбычно в ЛБВ используется спиральная замедляющая системаD – диаметр спирали, L – шаг(17.4)Vф=сL/πDзамедление c/Vф= πD/LБолее точный анализ: спираль обладает дисперсией, т.
е. зависимостью Vф от частоты.Поле в периодических замедляющих системах и пространственные гармоники.Замедляющие системы представляют собой периодические структуры, распределение поля в которыхможно представить бесконечной суммой бегущих волн с одинаковой частотой и различающихсяамплитудой и волновыми числамиE z ( x, y, z , t ) = E 20 f ( z ) exp j (ωt − β 0 z )+∞f ( z ) = ∑ An exp( − jn−∞+∞∑ E zn exp j (ωt − β n z );E z ( x, y , z , t ) =βn = β0 + n2M)Ln = −∞2MLЭти волны называются пространственные гармоники.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
