72288

Электронные и квантовые приборы СВЧ

Реферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Кривая электронной перестройки частоты имеет такой вид: Диапазон частот Частота колебаний ЛОВ зависит от напряжения U0 приложенного между замедляющей системой и катодом. Ширина диапазона электронной перестройки частот характеризуется либо коэффициентом перекрытия диапазона либо относительной...

Русский

2014-11-20

143.42 KB

7 чел.

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»

Радиотехнический факультет

Домашнее задание

по курсу: «Электронные и квантовые приборы СВЧ»

Выполнил:

студент 3-го курса РТФ

группы РС-61

Писарчик Д.В.

Вариант №12

Киев 2009

Устройство и принцип действия лампы обратной волны типа «О» как генератора, управляемого напряжением

Лампой обратной волны типа О (сокращенно ЛОВО) называют электровакуумный прибор СВЧ диапазона, в котором используется длительное взаимодействие сгруппированного потока электронов с обратной пространственной гармоникой электромагнитной волны, распространяющейся вдоль замедляющей системы.

Устройство ЛОВО схематически показано на рисунке, где 1 –электронная пушка, 2 – вывод энергии, 3 – замедляющая система,

4 – поглотитель, 5 – коллектор, 6 – фокусирующая система.[1]

Электронная пушка создаёт пучок электронов, движущийся к коллектору. Заданное сечение пучка сохраняется постоянным при помощи фокусирующей системы.

Если бы замедляющая система была однородной, и поле волны не содержало бы пространственных гармоник, то фазовая скорость волны была бы направлена так же, как и групповая, то есть навстречу движению электронов. Эффективное взаимодействие между СВЧ-волной и пучком электронов должно было бы отсутствовать.[3]

Однако если замедляющая система имеет периодическую структуру, то имеющееся в ней поле можно рассматривать как сумму бесконечного множества гармоник. Фазовые скорости этих гармоник могут быть направлены как в сторону движения энергии (прямые волны), так и в противоположную сторону (обратные волны). Можно подобрать ускоряющее напряжение (U0) для пучка электронов так, чтобы обеспечить синхронизм между электронами и одной из замедленных обратных волн (Ve  Vф).

Тогда электроны, поочерёдно проходя мимо неоднородностей, встречают одну и ту же фазу высокочастотного продольного поля, что приводит к тому, что часть кинетической энергии пучка передаётся СВЧ-полю. При этом электронный поток приобретает модуляцию по скорости, что приводит к модуляции плотности электронного потока (быстрые электроны догоняют медленные). Этот модулированный поток, двигаясь по направлению к коллектору, наводит на замедляющей системе высокочастотный ток. Но энергия волны, с которой взаимодействуют электроны, двигается навстречу электронному потоку. В результате на выходе лампы около электронной пушки создаётся поле, превышающее первоначальный сигнал. Лампа приобретает свойства автогенератора.

Таким образом, электронный пучок играет в ЛОВ двойную роль — как источник энергии и как звено, по которому осуществляется положительная обратная связь. Эта связь присуща самому принципу ЛОВ и принципиально неустранима, в отличие от других генераторов СВЧ [4]. В ЛОВО устанавливаются колебания стационарной амплитуды, определяемой балансом мощностей . Так как сопротивление связи пространственных гармоник резко уменьшается с увеличением номера гармоники, в ЛОВО используются замедляющие системы, в которых обратная пространственная гармоника является основной либо минус первой (системы типа встречных штырей или двухзаходной спирали). Вследствие трудностей широкополосного согласования волноводного выхода ЛОВО с замедляющей системой в ЛОВО возможны отражения от нагрузки. Последнее приводит к колебаниям выходной мощности ЛОВО, и для устранения этого эффекта в ЛОВО применяют поглотитель.

В первом приближении для замедляющей системы можно воспользоваться такими соотношениями:

С - скорость света, L и l – размеры замедляющей системы, 𝜆 – длины волны, р -номер гармоники.

Из условия фазового синхронизма следует

Так, для первой отрицательной гармоники р=-1 следует

Таким образом, в силу аномальной дисперсии замедляющей структуры частоты генерации увеличивается с увеличением напряжения   . [1]

Кривая электронной перестройки частоты имеет такой вид:

Диапазон частот

Частота колебаний ЛОВ зависит от напряжения U0, приложенного между замедляющей системой и катодом. Современные (2005 год) ЛОВ покрывают диапазон частот от единиц ГГц до единиц ТГц.

Ширина диапазона электронной перестройки частот характеризуется либо коэффициентом перекрытия диапазона

либо относительной величиной, выраженной в процентах

где fmax и fmin — максимальная и минимальная частоты диапазона электронной перестройки.

Типичные значения δc — 1,5 ÷ 2. [4]

Система автоподстройки частоты(АПЧ) с низкочастотной модуляцией стабилизируемого генератора

Одним из эффективных способов стабилизации частоты является автоматическая подстройка частоты (АПЧ). Структурная схема генератора с АПЧ имеет такой вид

Часть мощности стабилизируемого генератора подают на дискриминатор, в котором происходит сравнение частоты генератора с частотой эталона. Напряжение ошибки, определяемое разностью сравниваемых частот, подают на усилитель-преобразователь, а затем на управляющее устройство. Последнее воздействует на генератор и изменяет его частоту, приближая его к эталонной.

Системы АПЧ в зависимости от типа используемого дискриминатора подразделяют на системы частотной автоподстройки (ЧАП) и фазовой автоподстройки (ФАП).[2]

Фа́зовая автоподстро́йка частоты (ФАПЧ) — система автоматического регулирования, подстраивающая частоту управляемого генератора так, чтобы она была равна частоте опорного сигнала. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи. Выходной сигнал управляемого генератора сравнивается на фазовом детекторе с опорным сигналом, результат сравнения используется для подстройки управляемого генератора.

Система ФАПЧ используется для частотной модуляции и демодуляции, умножения и преобразования частоты, частотной фильтрации, выделения опорного колебания для когерентного детектирования и в других целях.

ФАПЧ сравнивает фазы входного и опорного сигналов и выводит сигнал ошибки, соответствующий разности между этими фазами. Сигнал ошибки проходит далее через фильтр низких частот и используется в качестве привода для генератора, управляемого напряжением (ГУН), обеспечивающего отрицательную обратную связь. Если выходная чатота отклоняется от опорной, то сигнал ошибки увеличивается, воздействуя на ГУН в сторону уменьшения ошибки. В состоянии равновесия выходной сигнал фиксируется на частоте опорного.[4]

Работа дискриминатора и управляющего элемента характеризуется их статическими характеристиками.

Типичные статические характеристики дискриминатора (а) и управляющего элемента (б)

Поскольку изменения частоты, вызываемые управляющим элементом, должны компенсировать уход частоты генератора, статические характеристики дискриминатора и управляющего элемента на рабочих участках должны иметь производные разных знаков, т.е. Sд*Sу<0.

Чем круче рабочие участки характеристик, тем, очевидно, выше качество системы АПЧ. В то же время, как правило, при увеличении крутизны характеристики дискриминатора уменьшается ширина её рабочего участка, что вызывает в свою очередь сужение полосы частот АПЧ.

Эталоны могут быть пассивными и активными. К активным относят источники высокостабильных колебаний, в качестве которых в СВЧ -диапазоне используют генераторы, стабилизируемые кварцем, или молекулярные генераторы. В качестве пассивных элементов обычно используют высокодобротные резонаторы.

Управляющие элементы можно разделить на три группы:

  1.  Электронные, в которых на частоту воздействуют с помощью электронного устройства, изменяющего режим работы стабилизирующего генератора или собственную частоту его РС
  2.  Механические, воздействующие на частоту путём механического изменения параметров РС стабилизируемого генератора
  3.  Электромагнитные, когда используют изменение магнитной проницаемости ферритовых вкладышей РС под воздействием внешнего магнитного поля.

Электронное управление частотой широко применяют в системах АПЧ ламповых генераторов дециметрового диапазона, генераторов на ЛОВ, магнетронах, настраиваемых напряжением, а также в некоторых других генераторах магнетронного типа.

Основное достоинство электронного управления частотой – практическая безынерционность и малая управляемая мощность. Однако диапазон подстройки как правило невелик и часто оказывается недостаточным для компенсации уходов частоты генератора.

Для расширения диапазона подстройки применяют механические управляющие элементы. Они позволяют обеспечить работу АПЧ в достаточно широкой полосе (до 10-20%). [2]

Следует заметить, что АПЧ осуществляется только в супергетеродинных        приёмниках. Для точной настройки таких приёмников нужно выполнение     двух условий: 

     1)  частота  принимаемого  сигнала  соответствует  частоте  настройки 

         преселектора; 

     2)  промежуточная  частота  fпр=fг  fc  совпадает  с  частотой  настройки 

         фильтров тракта промежуточной частоты. 

Очевидно, изза широкополосности преселектора определяющим является 

второе условие. Поэтому задача АПЧ сводится к подстройке частоты 

гетеродина. [6]


Движение электронов в постоянном магнитном поле. Электронно-циклотронная частота.

Движение нерелятивистской частицы с массой m и зарядом q в магнитном поле с индукцией B описывается уравнением
(1)

где V - скорость частицы. Из этого следует, что если B не зависит от времени: B=B(x,y,z), то  - кинетическая энергия частицы в магнитном поле не изменяется. Магнитное поле, постоянное во времени, не совершает работы. Это связано с тем, что сила, действующая на частицу со стороны поля, всегда перпендикулярна скорости ее движения. Если поле B постоянно и однородно (B=const), то уравнение (1) эквивалентно двум уравнениям
  где , и - составляющие скорости V, перпендикулярные и параллельные полю B, . В этом случае
 

Ускорение частицы постоянно по абсолютной величине и все время направлено перпендикулярно составляющей скорости V. Это означает, что частица движется по окружности равномерно с линейной скоростью . Радиус этой окружности

Величина R называется ларморовым радиусом, а сама окружность - ларморовой окружностью. Угловая частота вращения частицы по этой окружности определяется формулой
и не зависит от скорости частицы . Частица в постоянном магнитном поле описывает винтовую линию с постоянным шагом , постоянным радиусом R, постоянной угловой скоростью и постоянной по величине скоростью V. Величину называют ларморовой или циклотронной частотой.

Однородное магнитное поле обладает фокусирующим действием как по отношению к пучкам заряженных частиц, лежащих в плоскости, перпендикулярной полю, так и по отношению к пучкам, образующим малый угол с направлением силовой линии.

Любая частица, спустя время T после выхода из точки 0 вновь пересечет силовую линию, проходящую через эту точку (ось x, точка x0). [5]

Движение электрона в магнитном поле


Источники информации

  1.  Ю.М.Рычков «Электронные приборы сверхвысоких частот», Гродно 2002г.
  2.  М.В. Вамберский, В.И. Казанцев, С.А. Шелухин «Устройства СВЧ», Москва «Высшая школа» 1984г.
  3.  Н.Д.Федоров «Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы», Москва «Атомиздат» 1979г.
  4.  http://ru.wikipedia.org/
  5.  http://cad.ntu-kpi.kiev.ua/
  6.  http://window.edu.ru/