71924

Зоны генерации отражательного клистрона

Домашняя работа

Энергетика

Зависимость от частоты называется фазочастотной характеристикой резонатора рис. Вблизи собственной частоты резонатора зависимость от очень сильная и тем сильнее чем выше добротность резонатора.

Русский

2016-08-10

314 KB

12 чел.

PAGE  1

Национальный Технический Университет Украины

Киевский Политехнический Институт

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

ЭЛЕКТРОННЫЕ И КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ

ВАРИАНТ №19

                                                                                 Выполнил:

                                                                                 студент группы РТ-52

                                                                                 Яковенко А.В.                                                                                  Проверил: Кудинов Е.В.

Киев 2008 г.



1. ЗОНЫ ГЕНЕРАЦИИ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО КЛИСТРОНА

Отражательный клистрон—маломощный генератор СВЧ-колебаний.

Принцип его работы, как и пролетного клистрона, основан на преобразовании энергии

постоянного электронного потока в энергию СВЧ-колебаний при кратковременном

взаимодействии потока с СВЧ-полем.

Движение электронов в отражательном клистроне можно пояснить с помощью

пространственно-временной диаграммы (рис. 1). По оси ординат отложено смещение

электронов z от середины резонатора, а по оси абсцисс—время. Максимальные значения z

соответствуют точкам поворота различных электронов.

Рис. 1

Из рис. 1 следует, что при увеличении или уменьшении угла пролета от значения на  невозмущенный электрон снова попадает в максимум тормозящего поля и в пределах изменения угла пролета на  от нового значения происходит передача энергии от электронов полю резонатора. В общем случае значение угла пролета

,      (1)

где n=0, 1, 2, ...—целое число, называемое номером зоны генерации. На рис. 1 n=1. При

n=0 невозмущенный электрон возвращается в резонатор в том же периоде (рис. 2,а). При n=1 время пролета возрастает на один, а при n=2на два периода. Таким образом, n—это число полных пропущенных периодов напряжения за время пролета невозмущенных электронов.

Итак, мощность , отдаваемая модулированным по плотности электронным потоком резонатору, зависит от угла пролета и имеет зонный характер (рис. 2,б). Угол пролета , определенный по формуле (1), соответствует максимумам мощности

 или центрам зон генерации. Последнее объясняет и смысл индекса для этого угла пролета. Практически в отражательном клистроне угол пролета и, следовательно, мощность изменяют регулировкой напряжения на отражателе.

Рис. 2

2. ЭЛЕКТРОННАЯ УПРАВЛЕНИЕ ЧАСТОТОЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО КЛИСТРОНА

Частота генерируемых колебаний. В выражении баланса фаз  от частоты зависят угол пролета  и сдвиг фазы в резонаторе . Зависимость  от частоты называется фазочастотной характеристикой резонатора (рис. 3). (Вблизи собственной частоты резонатора  зависимость от  очень сильная и тем сильнее, чем выше добротность резонатора . Предельные значения  и .)

Угол пролета определяется напряжением на отражателе  и ускоряющим

напряжением по формуле . Поэтому при изменении  или в выражении баланса фаз будет изменяться  и для сохранения равенства необходимо, чтобы на такую же величину изменился угол, а это возможно только при изменении частоты. Таким образом, изменяя или, можно перестраивать частоту клистрона. Обычно для этой цели используют напряжение на отражателе. Изменение частоты колебаний при изменениинапряжения на электродах называют электронной перестройкой частоты.

Рис. 3

Рассмотрение электронной перестройки частоты удобно начинать с напряжения ,соответствующего центру выбранной зоны, где угол пролета равен значению . При изменении от  угол пролета отклоняется от  в соответствии с формулой

   (2)

При этом баланс фаз  требует, чтобы сдвиг фазы в колебательной системе (резонаторе) по величине и знаку был такой же, как изменение угла пролета.

Пусть , тогда  и, следовательно, по условию  . Отсутствие фазового сдвига означает, что частота генерируемых колебаний равна собственной частоте резонатора ().

Если абсолютная величина напряжения на отражателе возрастает  , то  и поэтому . (Ток в резонаторе  опережает по фазе напряжение .) В соответствии с фазочастотной характеристикой отрицательный сдвиг можно

получить, если частота генерируемых колебаний выше собственной частоты резонатора

().

И, наконец, при  угол пролета  увеличивается () и необходимо,

чтобы . В этом случае, очевидно, .

Связь фазы с частотой для колебательного контура (резонатора) обычно записывают в виде

    (3)

где -отклонение частоты от собственной частоты резонатора; Q

добротность колебательной системы с учетом нагрузки (нагруженная добротность).

Подставим в (3) вместо величину (2), тогда

   (4)

Крутизна и диапазон электронной перестройки частоты (ЭПЧ). На рис. 4, а

показано изменение частоты в пределах нескольких зон, определяемое по формуле (4)

Рис. 4

Для сравнения электронной перестройки частоты в разных зонах вводится крутизна

электронной перестройки в точке максимальной мощности (в центре зоны):

МГц/В     (5)

Для определения  в формуле (4) изменение можно считать малым, что позволяет заменить тангенс аргументом. Тогда

    (6)

Большим номерам зоны  соответствуют меньшие значения  при этом в (6)

числитель увеличивается, а знаменатель уменьшается, т. е. крутизна возрастает.

Действительно, в зоне с большим номером то же изменение напряжения отражателя

вызывает большее изменение угла пролета , а следовательно, при данной фазочастотной характеристике резонатора и большее отклонение частоты .

Формула (6) показывает также зависимость крутизны от добротности резонатора. С

увеличением добротности крутизна уменьшается. Это легко пояснить с помощью

фазочастотной характеристики (см. рис. 3). С увеличением  зависимость фазы от

частоты вблизи собственной частоты резонатора становится более сильной, поэтому

прежнее изменение угла пролета  приведет к меньшему изменению частоты

генерируемых колебаний, т. е. к падению крутизны .

Теоретически при  электронная перестройка частоты отсутствует. Под

следует понимать нагруженную добротность, поэтому можно также сделать вывод, что

крутизна должна зависеть от проводимости нагрузки , подключаемой параллельно

резонатору. Рост  означает уменьшение  и увеличение. Следовательно, для

увеличения крутизны необходимо уменьшать добротность, но последнее приводит к

уменьшению выходной мощности. Поэтому приходится выбирать промежуточные

значения добротности. В клистронах значение крутизны порядка 1МГц/В.

Диапазоном электронной перестройки называют интервал  (рис. 4,а) изменения

частоты колебаний в пределах той части зоны, где мощность не падает ниже 50%

мощности в центре зоны. Диапазон электронной перестройки частоты примерно равен

полосе пропускания резонатора и практически не зависит от номера зоны (обычно <1%).

3. ЗАВИСИМОСТЬ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ

ВОЛНЫ ТИПА ”О” ОТ УСКОРЯЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

Эта зависимость показана на рис. 5. Максимальная величина Pвых получается при оптимальном параметре начального рассинхронизма в формуле

,      (7)

где  - ток пучка;  - ускоряющее напряжение;  - параметр усиления,

,       (8)

где  - сопротивление связи,

,      (9)

где  - подводимая к замедляющей системе мощность;  - амплитуда гармоники;  - коэффициент фазы,

,    (10)

где  - сдвиг фазы на один период  для нулевой пространственной гармоники, а  - сдвиг фазы для гармоники ;

Соответствующее ускоряющее напряжение называется также оптимальным ();  и  соответствуют граничным значениям  и  параметра рассинхронизма.

Рис. 5

Изображенная кривая относится к рабочей пространственной гармонике. При переходе к другой гармонике условие синхронизма должно быть выполнено для другой фазовой скорости. Поэтому необходимо подобрать новое значение скорости электронов, а следовательно, и ускоряющего напряжения.

4. ЗАВИСИМОСТЬ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ ЛАМПЫ

БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ ТИПА ”О” ОТ ВХОДНОЙ МОЩНОСТИ

На рис. 6 приведена амплитудная характеристика ЛБВО.

Рис. 6

При малом входном сигнале группирование электронов слабое, форма волны конвекционного тока практически синусоидальная, а амплитуда первой гармоники тока  много меньше постоянной составляющей . В этом случае увеличение входного синусоидального сигнала приводит к пропорциональному увеличению  и выходного сигнала. Таким образом, начальный участок амплитудной характеристики практически является прямолинейным, ему соответствует максимальный коэффициент усиления.

При дальнейшем увеличении входной мощности наблюдается отклонение от линейной зависимости, т. е. ограничение выходной мощности. Причиной этому – изменение скорости электронов в процессе взаимодействия с полем. Сгусток движется в тормозящем поле волны, поэтому скорость электронов в нем постепенно уменьшается. Чем больше входной сигнал, тем заметнее снижение скорости. В процессе торможения сгусток постепенно отстает от волны, т. е. смещается в область нулевого поля и далее в область ускоряющей полуволны поля. Электроны сгустка, оказавшиеся в ускоряющем поле, отбирают мощность от поля и тем самым уменьшают выходную мощность ЛБВ. При некоторой входной мощности мощность, отбираемая на последнем участке ЛБВ от поля электронами, находящимися в ускоряющем поле, оказывается равной мощности, отдаваемой на этом участке полю электронами, движущимися в тормозящем поле в этом режиме, называемом режимом насыщения, последний участок ЛБВ не дает прибавки в выходную мощность. Если еще более увеличить входной сигнал, то торможение сгустка будет более сильным, выравнивание отбираемой и отдаваемой мощностей произойдет раньше, не в конце ЛБВ, а на участке, сдвинутом от конца в сторону входа. На остальном пути от этого участка до конца ЛБВ мощность, отбираемая одними электронами от поля, будет преобладать над мощностью, отдаваемой другими электронами полю. В результате выходная мощность станет меньше, чем в режиме насыщения. Соответственно произойдет и снижение коэффициент усиления ЛБВ. Следует отметить, что переход из линейного режима в нелинейный сопровождается ростом амплитуды второй гармоники конвекционного тока и выходной мощности на удвоенной частоте сигнала.

Для получения максимальной выходной мощности необходимо, чтобы насыщение наступило в конце замедляющей системы. Другими словами, при заданном входном сигнале имеется оптимальная длина ЛБВ, дальнейшее увеличение длины не приводит к росту выходной мощности и коэффициента усиления. При малом выходном сигнале оптимальная длина больше, чем при большом сигнале. Обычно в ЛБВО длина замедляющей системы составляет 10–30 длин волн рабочей пространственной гармоники. В маломощных ЛБВ со спиральной замедляющей системой число N может превышать 50.

5. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ РУБИНОВОГО ЛАЗЕРА

Лазером называется генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного излучения. Вещество, в котором в процессе накачки может быть создана лазерная активная среда, т. е. среда, обладающая способностью усиления электромагнитного излучения на частоте перехода, называют

лазерным веществом. Положительная обратная связь в лазерах осуществляется с помощью оптического резонатора— системы обращенных друг к другу отражающих поверхностей (зеркал). Активная лазерная среда находится между зеркалами. Поэтому вынужденное излучение, возникающее в активной среде первоначально в результате воздействия имеющегося спонтанного излучения, будет затем многократно отражаться от зеркал и усиливаться в активной среде.

Часть излучения необходимо вывести из резонатора для использования, поэтому одно из зеркал должно иметь определенную прозрачность. Эту часть потерь излучения часто называют полезными потерями, а потери, имеющиеся в среде и в результате поглощения в материале зеркал, — вредными потерями. Если усиление излучения в активной среде превышает полные потери в системе, то начинается генерация, а мощность вынужденного излучения нарастает до установившегося значения, определяемого балансом мощностей (амплитуд).

Таким образом, оптический резонатор обеспечивает обратную связь в лазере. Но резонатор одновременно выполняет и другую важную функцию — формирует световой поток с определенными свойствами.

Матрицей рабочего вещества в рубиновом лазере является кристаллическая решетка корунда А12О3, а активной средой— трехзарядные ионы хрома Сr3+. Схема энергетических уровней иона хрома показана на рис. 7.

Рис. 7.

В результате воздействия сильного внутрикристаллического поля основной уровень расщеплен на два подуровня 1, энергетический переход между которыми используется в квантовых парамагнитных усилителях. Следующие уровни также расщеплены на подуровни 2 и 3. Тепловые колебания ионов и дефекты кристаллической структуры вызывают местные изменения электрического поля, приводящие к уширению


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1.  Википедия — свободная интернет энциклопедия. Адрес: http://www.wikipedia.org/. Использованные материалы:
    http://ru.wikipedia.org/wiki/Энергетический_уровень
    http://ru.wikipedia.org/wiki/Лампа_обратной_волны
    http://ru.wikipedia.org/wiki/Клистрон
  2.  Ф е д о р о в Н. Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы: Учебник для вузов.— Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Атомиздат, 1979,— с.288
  3.  Вамберский М.В. Передающие устройства СВЧ — Москва «Высшая школа», 1984


энергетических уровней. Ширина подуровней
1 и 2 незначительна, а подуровней 3 настолько существенна, что их называют полосами.

Расстояния между подуровнями 1 и полосами 3, а также между подуровнями 1 и 2

соответствуют оптическому диапазону волн. При использовании этих переходов

подуровни 1 можно считать совпадающими, так как переход между ними соответствует

СВЧ-диапазону.

Подуровни 2 являются метастабильными (время жизни около 3·10–3 с). Полное время жизни подуровней 3 определяется безызлучательными релаксационными переходами на подуровни 2. Время жизни уровней 3, связанное с безызлучательными переходами, порядка 10-7 с и много меньше времени жизни, связанного со спонтанными излучательными переходами. Поэтому населенность подуровней 3 будет уменьшаться в основном из-за безызлучательных переходов, вызванных взаимодействием с кристаллической решеткой. При этом избыток энергии переходит в тепловую энергию кристаллической решетки.

Теперь можно объяснить получение инверсии населенностей в рубиновом лазере. Под воздействием излучения источника света происходит возбуждение подуровней 3 и

увеличение их населенности. Вследствие безызлучательных переходов происходит быстрое уменьшение населенности подуровней 3 и заселение матастабильных подуровней 2. Поэтому населенность подуровней 2 может стать больше населенности основного уровня 1. Инверсия населенностей при выполнении условий самовозбуждения обеспечит генерацию колебаний. Так как разрешены переходы в основное состояние с верхнего и с нижнего подуровней 2, то возможна генерация излучения в красной области с длинами волн  = 0,6943 мкм (6943Ǻ) и  = 0,6929 мкм (6929Ǻ). Известно, что наиболее благоприятные условия для генерации излучения с =0,6943 мкм, однако, применяя специальные фильтры, можно обеспечить генерацию на длине волны =0,6929 мкм.

Рубиновые лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Для

получения импульсного режима используют импульсные ксеноновые лампы. Система

оптической накачки содержит лампу (ламповая накачка) и элементы, обеспечивающие

концентрацию светового тока на активный стержень. Эффективность системы оптической

ламповой накачки определяют как отношение энергии, поглощенной в материале, к энергии, потребляемой лампой. Различные варианты систем оптической накачки показаны на рис. 7. 

Рис. 8

Импульсные лампы имеют форму спирали (см. рис. 8, а ) , на оси которой расположен активный стержень, или цилиндра (см. рис. 8, б ), расположенного параллельно этому стержню. Зеркальные поверхности специальной формы концентрируют световой поток в стержне. Применяется также возбуждение световым потоком в торец активного стержня через переходное сапфировое устройство (см. рис. 8,в), в котором используется полное внутреннее отражение.

Импульсный режим работы ламп обеспечивается разрядом конденсаторов, которые предварительно заряжаются от источника напряжением до нескольких киловольт. В световое излучение обычно переходит около 25% подводимой к лампе мощности, остальная мощность выделяется в виде тепла . Для работы в непрерывном режиме используют специальные дуговые капиллярные лампы и лампы накаливания.




 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20717. ПОЛНЫЕ МЕТРИЧЕСКИЕ ПРОСТРАНСТВА 57 KB
  Чтобы разобраться в этом вопросе рассмотрим понятие фундаментальной последовательности на R’. Определение: последовательность {xn} называется фундаментальной если выполняется Пример. ТЕОРЕМАпринцип сходимости Коши Для сходимости последовательности необходимо и достаточно чтобы она была фундаментальной. Понятие фундаментальной последовательности переносится на метрические пространства.
20718. Формула и ряд Тейлора. Биномиальный ряд 130.5 KB
  Формула и ряд Тейлора. Биномиальный ряд. Теорема о разложении функции в ряд Тейлора: пусть функция имеет в некотором интервале производные до порядка включительно а точка находится внутри этого интервала. Используя эту теорему можно сделать следующий вывод: если функция имеет на некотором отрезке производные всех порядков раз они имеются все то каждая из них будет дифференцируемой и поэтому непрерывной то можно написать формулу Тейлора для любого значения .
20720. Линейные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами 72.5 KB
  Вопрос о том является ли это решение общим приводит к понятию линейной независимости системы частных решений линейно независимых функций 1 и фундаментальной системы решений 2. Совокупность всех линейнонезависимых частных решений уравнения называется фундаментальной системой решений этого уравнения тогда есть общее решение для уравнения . Таким образом для решения нужно: найти частные решения; выяснить их линейную независимость ; найти общее решение согласно .
20721. Мощность множества. Арифметика счетной мощности 59.5 KB
  Пусть A – некоторое счетное мнво тогда по определению A N.Из всякого бесконечного мнва можно выделить счетное подмново.Сумма конечного числа счетных мнв есть счетное мнво. Сумма счетного числа конечных мнв есть счетное мнво.
20722. Предел и непрерывность функции в точке. Основные свойства функции непрерывной на отрезке 29.5 KB
  Иногда говорят что предел функции в точке а : fx=b      х: ха ха и fxb Данное определение называется определением предела функции на языке .3 Если fx=fa то функция назся непрерывной в точке а.4 Если использовать предел функции в точке то определение функции в точке можно оформить в виде:    : ха х[ аb] и fxb Опред.
20723. Предел числовой последовательности. Необходимый и достаточный признак сходимости числовой последовательности 62 KB
  Определение: Если каждому по определённому закону можно поставить в соответствие то числа получающиеся при каждом конкретном n образуют числовую последовательность. Если такое имеет место то пишут что последовательность расходится. Теорема Необходимое условие сходимости числовой последовательности: если последовательность {Xn} сходится то она ограничена. Определение 2: Если предел сходящейся последовательности равен 0 то она называется бесконечно малой последовательностью.
20725. Замечательные пределы 40.5 KB
  Замечательные пределы Существует 4 замечательных предела: I. Покажем доказательство первого предела. ; ; ; ; ; ; ; по свойству функции имеющей предел имеем предел зажатой последовательности ч.