9943

Электронные лампы. Особенности работы электронных приборов СВЧ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Электронные лампы. Особенности работы электронных приборов СВЧ Занятие 1. Электронные лампы Учебные, методические и воспитательные цели: 1. Изучить устройство, принцип действия и статические характеристики электронных ламп, стимулировать ...

Русский

2013-03-19

252.86 KB

54 чел.

Электронные лампы. Особенности работы электронных приборов СВЧ

Занятие 1. Электронные лампы

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить устройство, принцип действия и статические характеристики электронных  ламп, стимулировать  активную  познавательную деятельность.

2. Прививать методические навыки логического изложения материала.

3. Прививать  интерес  к радиоэлектронике,  к профессии офицера-связиста.

Время:  2 часа

План лекции

п/п

Учебные вопросы

Время

мин

1.

2.

3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

  1.  Назначение, устройство, схема включения, принцип работы диодов и триодов.
  2.  Назначение, устройство, схема включения, принцип работы тетродов и пентодов.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

80

40

40

5

Материальное обеспечение:

1. Упрощенная схема радиорелейной станции Р-409.

2. Набор электронных ламп.

3. Комплект диапозитивов по теме.

4. Плакат "Статические характеристики ЭЛ".

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.450-466.

2. Батушев В.А. "Электронные элементы ВТС", стр. 326-342.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Исторически первыми электронными элементами,  определившими длительный период становления  и  развития  радиоэлектроники,  явились электронные лампы. Их развитие и совершенствование началось с обыкновенной лампы накаливания, созданной русским ученым Н.А.Лодыгиным  в 1872 году.

Уже в 1918 году был издан декрет о создании Нижегородской  радиолаборатории. В  этой  лаборатории,  возглавляемой  М.А.Бонч-Бруевичем, совместно с решением других важных проблем производилась разработка  и изготовление усилительных  и  мощных  генераторных ламп,  причем уже к 1923 году удалось достигнуть полезной колебательной мощности 35 кВт.

В 1923  году  в  Петрограде  начинает  работать радиолаборатория, возглавляемая А.Н.Чернышевым, которая в 1928 году  слилась  с  заводом "Светлана", выпускавшим до революции только осветительные лампы.

В настоящее время, наряду с разработкой и внедрением принципиально новых электронных  приборов,  продолжается совершенствование электронных ламп,  прежде всего мощных генераторных ламп, которые в течении ближайших десятилетий найдут еще широкое применение в аппаратуре военной связи.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Назначение, устройство, схема включения, принцип работы диодов и триодов

Электронными лампами называются   электропреобразовательные электровакуумные приборы,  действие которых основано на управлении потоком свободных  электронов  в  вакууме с помощью электрических полей, возникающих при подаче напряжений на электроды ламп.

Электронные процессы  происходят в лампе в вакууме ( давление порядка 10-5 Па), изолированно от внешней среды с помощью газонепроницаемого стеклянного,  керамического  или металлического баллона.  Внутри баллона размещаются электроды лампы,  крепежные и изолирующие  детали.

По числу  электродов лампы подразделяются на диоды,  триоды,  тетроды, пентоды и т.д.

Обязательными электродами для любой лампы являются катод и анод. Катод - является источником свободных электронов. Принцип его работы основан  на  явлении  термоэлектронной эмиссии:  выходе из катода электронов, преодолевших потенциальный барьер на границе металл-вакуум за счет тепловой энергии, достаточной для совершения работы выхода. По способу накала катоды подразделяются на прямонакальные  (прямого накала), и подогревные (косвенного накала).

Анод - электрод с развитой поверхностью,  представляющий  плоскую или цилиндрическую конструкцию и являющийся приемником электронов. Основными параметрами анодов (и параметрами режима ламп в целом) являются:  - максимально допустимая рассеиваемая мощность  Рamax;

- максимально допустимый анодный ток лампы Iamax.

Чем выше анодное напряжение, тем меньше допустимый анодный ток. Аноды электронных ламп изготовляют из никеля,  молибдена,  иногда из тантала и графита. С целью повышения мощности, рассеиваемой анодом, в мощных генераторных лампах аноды снабжают радиаторами. При необходимости  иметь большую рассеиваемую мощность (более 1-1,5 кВт) лампы изготовляют с принудительным охлаждением - воздушным,  водяным и испарительным.

Для управления  электронным потоком и обеспечения различных режимов работы электронных ламп между  анодом  и  катодом  размещают  сетки-электроды, изготовляемые,  как  правило, в виде спирали или решетки. Различие выполняемых сетками функций отражено в их назначении.

Двухэлектродная лампа - диод имеет два электрода,  ограничивающих рабочее пространство: катод и анод.

Основное свойство диода - односторонняя проводимость. Анодный ток

в рабочем пространстве диода может протекать только в одном  направлении -  от  анода к катоду (электроны движутся в обратном направлении от катода к аноду).

Характеристикой диода, описывающего его основные свойства, является  статическая  вольтамперная  характеристика - анодная характеристика. Это  зависимость  анодного тока – Iа от анодного напряжения Uа при постоянном напряжении накала:

Iа = f(Uа)Uнак = const    (рис.1)

Ia

Ua

Uн1

Uн2

Uн1

Uн2Uн1

Рис. 1

Теоретическую зависимость Iа = f(Uа)Uнак = const в режиме пространственного заряда устанавливает закон степени 3/2:   Iа = gUа3/2

где: g - первеанс, коэффициент, зависящий от конструкции лампы и консрукции ее электродов.

Плавный переход  в  режим  насыщения у реального диода объясняется неравномерным распределением температуры по катоду  и  неоднородностью его эмиссионных свойств.

Следует отметить также практически  полное  отсутствие  обратного тока при отрицательных анодных напряжениях.

В настоящее время электровакуумные  диоды  практически  полностью вытеснены полупроводниковыми диодами, в современной аппаратуре не применяются.

Трехэлектродная лампа - триод имеет три электрода:  катод, анод и между ними ближе к катоду третий электрод,  который называют управляющей сеткой C1 (рис. 2а).

К

А

С

Uc1

Ia

Ic

Ia

Uc0

Uc=0

Uc0

Ua

a)

б)

в)

Рис. 2

 

Термин "управляющая" определяется тем,  что сетка позволяет  осуществить управление анодным током триода при неизменном анодном напряжении.

К электродам триода подводят напряжение,  которые отсчитывают относительно катода. На анод подается положительное напряжение Uа>0, что при накаленном катоде создает условия для появления анодного тока Iа. Однако значение Iа зависит от  напряжения  на  управляющей  сетке Uс1, которое может быть как положительным, так и отрицательным. Таким образом, Iа является функцией переменных

Iа = f(Uа; Uс1)

Основными характеристиками триода являются:

- семейство  анодно-сеточных  характеристик  Iа  = f(Uс1), при Uа = const;

- семейство анодных характеристик Iа = f(Uа), при Uс1 = const.

Анодно-сеточная характеристика имеет вид полукубической параболы и начинается при отрицательном напряжении сетки (рис.2,б).

При положительном напряжении сетки появляется сеточный ток.  Пока Uс1< Uа,  увеличение напряжения на сетке сопровождается ростом всех токов в лампе, но рост анодного тока замедляется.

При увеличении анодного напряжения характеристика сдвигается влево.

Анодная характеристика при Uс1 = 0 имеет вид характеристики диода. Чем больше отрицательное напряжение сетки,  тем сильнее вправо сдвигается анодная характеристика. Анодный ток появляется лишь при таком напряжении анода,  при котором созданное им ускоряющее поле в прикатодной области превышает   тормозящее   поле,   созданное  напряжением  сетки (рис.2,в).

Проведенный анализ  физических  процессов в триоде позволяет сделать важный вывод:

- наличие  сетки  позволяет  использовать триод в качестве усилительного элемента.  При этом  управление  относительно  большим  током анодной цепи может осуществляться с помощью относительно малых изменений сеточного напряжения и при отсутствии сеточного тока.

При анализе  работы электронных ламп в цепях переменного тока высокой частоты нужно учитывать их емкостные свойства  за  счет  наличия междуэлектродных емкостей. Для триода это  емкости:  сетка-катод  (Сск),  анод-катод  (Сак), анод-сетка (Сас).

Одним из основных недостатков триода является ограниченный частотный  диапазон  его  использования из-за сравнительно большой величины емкости анод-сетка. Она обусловливает связь между входной (сеточной) и  выходной (анодной) цепями и носит название проходной емкости.

На высоких частотах сопротивление проходной емкости уменьшается и часть переменной составляющей анодного тока ответвляется в цепь сетки. Возможно самовозбуждение.

Эффективным средством уменьшения величины емкости является  экранирование  электрического  поля  анода с помощью второй (экранирующей) сетки С2, помещенной между управляющей сеткой и анодом. Для того чтобы вторая сетка экранировала управляющую сетку от переменного поля,  создаваемого анодом,  она должна быть достаточно густой и "заземлена"  по переменному напряжению.Таким путем удается уменьшить величину проходной емкости лампы на порядок и более.

Таким образом, введение в лампу управляющей сетки позволяет малыми изменениями напряжения  на ней управлять большими токами в анодной цепи, т. е. добиваться усиления.

2. Назначение, устройство, схема включения, принцип работы
тетродов и пентодов

Четырехэлектродная усилительная лампа с экранирующей сеткой называется тетродом. Условное обозначение и питающие напряжение электродов лампы показаны на рис.3.

Наличие экранирующей  сетки  вызывает  ряд  особенностей в работе тетрода:

Рис. 3

+Ua

+Uc2

C1

C

  1.  Катодный  ток  в рабочем режиме (при отрицательных напряжениях на управляющей сетке) распределяется между анодом и экранирующей  сеткой, имеющей положительный относительно катода потенциал: Iк = Iа +Iс2.

2. Напряжение Uс2 оказывает на катодный ток такое же влияние, как и Uа в триоде, в то время как Uа в тетроде практически не влияет на катодный ток. Следовательно, анодно-сеточная характеристика при увеличении Uс2 сдвигается влево.

3. Изменение величины Uа управляет величиной  Iа  практически  за

счет  перераспределения  катодного тока Iк между анодом и экранирующей сеткой. При этом процессы перераспределения катодного тока приводят к появлению динатронного  эффекта,  являющегося  существенным  недостатком тетрода.

Рассмотрим характер зависимости анодного тока и тока экранирующей сетки при изменении анодного напряжения и фиксированном напряжении  на экранирующей сетке.

Катодный ток при этом условии  практически  остается  постоянным. При Uа<< Uс2 (рис.3б), с ростом Uа анодный ток быстро возрастает.

При Uа0,2Uс2 энергия электронов возрастает настолько, что возникает вторичная эмиссия электронов из анода,  которые устремляются на экранирующую сетку. В результате Iа уменьшается, а Iс2 растет. Переход электронов вторичной эмиссии на другой электрод называется динатронным

эффектом. При Uа > Uс2 переход вторичных  электронов  на  экранирующую сетку прекращается, Iа вновь растет, а Iс2 - уменьшается. Следствием динатронного эффекта является наличие падающего участка на анодной характеристике тетрода,  что может привести к искажениям при усилении и самовозбуждению.  Для подавления  динатронного  эффекта необходимо создать  между  анодом  и экранирующей сеткой потенциальный барьер для медленных электронов, выбиваемых из анода. Способы реализации этой задачи:

1. Создание отрицательного потенциального барьера за счет повышения плотности потока электронов на участке анод - экранирующая сетка. Этот способ реализуется в лучевых тетродах, где электронный поток концентрируется в двух плоскостях в узкие пучки-лучи.

2. В тетродах цилиндрической конструкции часто используют  камерный анод – цилиндр, с прорезанными по его внутренней поверхности глубокими пазами-камерами, которые улавливают вторичные электроны.  Аноды покрывают металлом, имеющим большую, чем анод, работу выхода.

В мощных лампах для достижения высокой плотности и хорошей  фокусировки электронного потока активное вещество,  оксидный слой, наносят на основание (керн) полосками,  расположенными непосредственно  против окон сеток. Катод указанного типа называют бипотенциальным.

3. Создание отрицательного потенциального барьера за счет третьей сетки, помещенной между анодом и экранирующей сеткой и имеющей нулевой потенциал относительно катода.

C1

+Uc2

C

Рис. 4

+Ua

Ia

Ua

Uc21

Uc211

Ia

Uc1

Uc111

Uc11

Рис. 5

C3

Сетка С3 называется защитной или антидинатронной, а пятиэлектродная лампа -  пентодом.  Условное  обозначение  и  питающие  напряжения электродов лампы  показаны  на  рис.4.  Анодно-сеточные характеристики пентода аналогичны тетродным. Анодные характеристики похожи на характеристики тетрода, в котором устранен динатронный эффект (рис. 5).

Примерами мощных генераторных тетродов  с  воздушным охлаждением,   применяемых в передатчиках КВ   и   УКВ   диапазонов,   являются: ГУ-43Б(Р-140), ГУ-74Б, ГУ-78б(Р-161), ГУ-43Б, ГУ-36(Р-136).

Основное назначение  электронных  ламп - использование в качестве усилительных элементов в электронных схемах, работающих в широком диапазоне частот в режиме переменного тока.

При этом основными  функциональными  параметрами,  определяющими возможности целевого  применения ламп являются их дифференциальные параметры. Дифференциальные параметры - это величины,  связывающие малые приращения токов и напряжений в электронном приборе.

Практическое значение имеют параметры:

крутизна анодно-сеточной характеристики, или просто крутизна лампы.

внутреннее сопротивление лампы.

Часто для  сравнительной  оценки воздействия сеточного и анодного напряжений на анодный ток используют еще один параметр - статический коэффициент усиления лампы

Определение дифференциальных параметров графическим способом осуществляется по семейству статических характеристик согласно  приведенным выражениям в окрестности заданной рабочей точки.

При анализе и инженерных расчетах  радиотехнических  устройств  в диапазоне частот  лампу  удобно представить в виде электрической схемы замещения. Для случая, когда напряжение управляющей сетки отрицательно и активная  составляющая  сеточного  тока равна нулю,  схему замещения усилительной лампы можно представить в виде, показанном на рис.6.

Спрох

С1

А

К

Рис. 6

Свх

Свых

1/Ri

S·Us

Для триодов Свхск; Cвых= Cак; Спрох = Сас.

Для тетродов и пентодов: Свхск; Свых = Сас3 + Сас2 + СакСас3 + Сас2.

Таким образом, введение в лампу дополнительных сеток позволяет

расширить частотный диапазон ламп и обеспечить работу без сеточных токов, т. е. усиление сигнала без искажений.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Подводя общий итог рассмотренным в лекции вопросам  необходимо подчеркнуть, что  многоэлектродные  лампы обладают общим важным свойством, они могут быть использованы для усиления электрических сигналов, то есть в качестве усилительных элементов.

Коструктивное усложнение ламп преследует при  этом  прежде  всего расширение  частного  диапазона использования и улучшение усилительных свойств. Учитывая, что  в  аппаратуре военной связи применяются в основном мощные генераторные лампы в выходных каскадах передатчиков  необходимо помнить, что от их правильной эксплуатации,  технического обслуживания зависит надежность и дальность связи.

Поскольку питающие напряжения на электродах ламп  достигают тысяч вольт, а протекающие токи десятков ампер,  необходимо строго выполнять правила техники  безопасности  при их эксплуатации с одной стороны,  и особенно тщательно осуществлять установку  и  контроль  электрического режима с другой стороны.

Офицер связист должен не только помнить эти требования сам,  но и постоянно требовать их выполнения от подчиненных, непосредственно обслуживающих аппаратуру связи.

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы 461-462.

Старший преподаватель кафедры N9

доцент               п/п           Г.Подлеский

Рецензент:

доцент             п/п

        Б.Степанов

Занятие 2. Особенности работы электронных приборов СВЧ

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить  особенности  работы  ламп  со  статическим управлением, электронных приборов  СВЧ с динамическим управлением,  способствовать формированию творческого мышления.

2. Прививать  методические навыки анализа работы электронных приборов.

3. Развивать  инженерное мышление, формировать научное мировоззрение.

Время: 2 часа

План лекции

п/п

Учебные вопросы

Время

мин

1.

2.

3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

  1.  Особенности работы ламп со статическим управлением.
  2.   Принцип построения электронных приборов СВЧ с динамическим управлением.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

80

25

55

5

Материальное обеспечение:

1. Упрощенная схема передатчика СВЧ.

2. Клистроны и ЛБВ аппаратуры военной связи.

3. Набор диапозитивов по теме "Электронные приборы СВЧ".

4. Плакат "Клистроны".

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.466-472.

2. Б.Ф.Емелин, Б.М.Машковцев  "Основы техники СВЧ", стр.134-139.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Для развития техники связи характерна тенденция использования все более высоких  частот.  Объем передаваемой информации удваивается примерно каждые 6-7 лет, поэтому системы связи непрерывно совершенствуются, увеличивается число каналов. Емкость системы связи растет с увеличением используемой частоты,  поэтому каналы связи СВЧ диапазона обладают большой информационной емкостью.

К диапазону СВЧ  обычно  относят  область  частот  от  300МГц  до 300ГГц,  т.е.  дециметровые =10 - 1дм (f=300 - 3000МГц),   сантиметровые =10 - 1см(f=3 - 30ГГц) и миллиметровые  =10 - 1мм(f=30 - 300ГГц) длины волн.

Интенсивное исследование диапазона СВЧ началось накануне 40-х годов и в дальнейшем в значительной  мере  стимулировалось  созданием  и внедрением различных  радиолокационных станций во время Второй мировой войны.

Создание специальных приборов СВЧ стало возможным после того, как в 1932 году русский ученый Д.А.Рожанский высказал идею метода  динамического управления электронным потоком.

Первая попытка создания прибора, основанного на этом методе (пролетного клистрона), принадлежит А.Арсеньевой  и О.Хейль.

В 1939-40гг. появляется пролетный клистрон (Н.Д.Девятков в СССР и братья Варнан в США), в 1940 году - отражательный клистрон (Н.Д.Девятков и другие), многорезонаторный магнетрон (Н.Ф.Алексеев и Д.Е.Маляров).

Для управления электронным потоком (ускорения, замедления, изменения направления движения,  фокусировки) в приборах с динамическим  управлением используются статические электрические и магнитные поля.

При этом различают приборы типа "О", где векторы электрического и магнитного полей совпадают по направлению и приборы типа "М",  где они взаимно перпендикулярны (так называемые скрещенные  поля).

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Особенности работы ламп со статическим управлением

Согласно международному  регламенту к диапазону сверхвысоких частот (СВЧ) относятся колебания сантиметровых длин волн (=1 - 10см).  Однако исторически  сложилось так,  что в диапазон  СВЧ включаются кроме сантиметровых, колебания дециметровых, миллиметровых и еще более коротких длин волн.

В диапазоне СВЧ размеры элементов и устройств  оказываются  сравнимыми с длиной волны, а иногда и много большими её. В этом случае необходимо учитывать эффект запаздывания электромагнитных  волн,  теряют смысл понятия  сосредоточенной  индуктивности, емкости,  сопротивления; напряжение и ток становятся понятиями неоднозначными.  Все это заставляет по-новому подходить к задаче создания электронных приборов.

С переходом к сверхвысоким частотам существенно  затрудняется,  а затем делается  невозможным  применение  электровакуумных  приборов  с электростатическим управлением.

В диапазоне СВЧ время пролета электронов между электродами становится соизмеримым с периодом СВЧ колебаний.  В результате одного этого фактора - заметной инерции электронов - ток во внешней цепи отстает от управляющего напряжения и лампа перестает быть безынерционным прибором.

В результате этого в сеточной цепи появляется активная составляющая тока, вызывающая активную составляющую входной проводимости лампы, увеличивающуюся с ростом частоты. Это свидетельствует о том, что лампа потребляет энергию высокочастотного  входного  сигнала.  Кроме  потерь входного сигнала  инерция электронов приводит к увеличению собственных шумов лампы.

В диапазоне  СВЧ весьма сильное влияние на работу лампы оказывают междуэлектродные емкости и индуктивности выводов электродов.  В  совокупности они образуют сложные колебательные системы, величина реактивностей которых между электродами резко меняется по диапазону. Это приводит к узкополосности  усилителей, к  затруднению перестройки частоты генераторов, увеличивает активную входную проводимость лампы. Дополнительные потери  мощности входного сигнала уменьшают усиление каскада и его к.п.д.

Все указанные выше факторы   ограничивают верхний предельный диапазон частот,  до которого лампы с электростатическим управлением  еще могут удовлетворительно работать.  В диапазоне СВЧ преимущественно используются триоды, реже тетроды.

Увеличение предельной  частоты ламп с электростатическим управлением достигается уменьшением времени пролета электронов за счет уменьшения межэлектродных  расстояний.  В  некоторых  лампах расстояние катод-сетка составляет несколько микрометров.

Для обеспечения  возможности  работы  ламп  СВЧ при более высоких температурах, а также для уменьшения диэлектрических потерь их баллоны и арматура  выполняются из специальной керамики.  Уменьшение индуктивности выводов достигается применением кольцевых и дисковых выводов,  а в тех случаях,  когда используются стержневые выводы,  - уменьшения их длины и увеличением диаметра.

Рациональные конструкторские решения позволяют лампам с электростатическим управлением работать на частотах до единиц гигагерц.

Основные достоинства ламп СВЧ:  простота конструкции, малые габариты и вес, сравнительно низкие напряжения питания.

Недостатки -  небольшой  коэффициент усиления (до 10дБ) и сравнительно малый срок службы (около 1000 час).

Примерами таких   ламп   являются:

-  металлокерамические  триоды ГИ-15Б, ГС-4В, ГС-14(Р-409);

- металлокерамический тетрод ГС-15Б(Р-409).

Таким образом, существенная часть задач,  стоящих  перед  техникой СВЧ не может быть решена при помощи ламп с электростатическим управлением. Решение этих задач стало возможным в результате создания  электровакуумных приборов СВЧ,  работающих на принципе динамического управления потоком электронов и использования заведомо большого времени  их пролета.

2. Принцип построения электронных приборов

СВЧ с динамическим управлением

Смысл динамического управления сводится к тому, что входной высокочастотный сигнал непосредственно управляет не плотностью, а скоростью сравнительно быстро движущихся электронов.

Для приборов СВЧ характерно объединение активной области прибора, где происходит  взаимодействие  носителей  зарядов  с  высокочастотным электрическим полем,  и колебательной системы с внешней линией передачи.

Среди вакуумных  приборов СВЧ можно выделить две основные группы, объединяющие большинство приборов,  находящих широкое применение.  Это приборы О и М-типов.

В приборах О-типа используются прямолинейные электронные потоки и группирование электронов  осуществляется за счет взаимодействия с продольной составляющей электрического поля СВЧ, которому электроны передают кинетическую энергию.

В приборах О-типа электроны группируются за  счет  взаимодействия потока (в  общем  случае  непрямолинейного) с поперечными составляющими электрического СВЧ-поля и происходит  передача  потенциальной  энергии электронов электромагнитным колебаниям,  причем постоянные электрическое и магнитное поля являются ортогональными (скрещенными).

Приборы О- и М-типа,  в свою очередь,  могут быть подразделены на приборы с резонансными и нерезонансными  колебательными  системами.  К резонансным приборам О-типа относятся клистроны,  а к аналогичным приборам М-типа - магнетроны.  Среди приборов с нерезонансными  системами широкое распространение получили лампы бегущей волны.

Рассмотрим принцип динамического управления на примере  двухрезонаторного пролетного клистрона.

U0

Рез 1

Рез 2

Uс вх(t)

Uс вых(t)

К

Ф

А

Кол

d

l

Рис. 1

Устройство двухрезонаторного пролетного  клистрона  приведено  на рис.1.

Он состоит из вакуумного баллона, внутри которого  размещаются:

- электронная пушка (термокатод, фокусирующий электрод и анод) предназначена для формирования,  электростатической фокусировки и начального ускорения равномерного электронного потока;

- коллектор (имеет потенциал анода)  предназначен  для  собирания отработанных в высокочастотной системе электронов;

- емкостные зазоры (в виде сеток) входного и выходного резонаторов (колебательных систем СВЧ с распределенными параметрами).

Входной резонатор возбуждается слабым входным сигналом СВЧ с  помощью цепи связи и в нем возникает электромагнитное поле СВЧ. При этом в емкостном зазоре резонатора  концентрируется  электрическое поле СВЧ и разность потенциалов между сетками изменяет величину и знак по закону входного сигнала СВЧ. В выходном резонаторе возбуждаются усиленные  по  мощности  колебания сигнала и с помощью цепи связи передаются в нагрузку. Для дополнительной фокусировки электронного потока может использоваться электромагнитная фокусировка  с  помощью  фокусирующей  катушки (векторы Е и Н совпадают по направлению).

Принцип работы

Усиление входного сигнала во всех приборах СВЧ   происходит в три этапа:- модуляция электронного потока по скорости;

- модуляция  электронного  потока  по  плотности  и  образование сгустков электронов;

- отбор энергии от сгустков электронов.

В пролетных клистронах это происходит следующим образом:

- модуляция электронного потока по скорости  электрическим  полем сигнала СВЧ в зазоре входного резонатора - d;

- модуляция электронного потока по плотности и образование сгустков электронов в пространстве дрейфа (между резонаторами) - l;

- отдача кинетической энергии сгустков электронов полю СВЧ в  зазоре выходного резонатора.

Рассмотрим более подробно каждый этап.

Под действием ускоряющего напряжения равномерный поток электронов со скоростью                

где: e и m -заряд и масса электрона

устремляется в сторону коллектора и попадает в узкий зазор между сетками первого резонатора.

Между сетками  имеется  продольное  высокочастотное электрическое поле, которое периодически ускоряет и замедляет электроны,  т.е. модулирует их по скорости.

При этом взаимодействие каждого электрона с  СВЧ  полем  является кратковременным, т.е. величина поля не успевает существенно измениться за время его пролета.

Для пояснения  процесса модуляции электронов по скорости воспользуемся пространственно-временной диаграммой (рис.2).

1

1

4

1

10

2

3

5

6

7

8

9

Рез2

4

Рез1

Uс вых(t)

t

t

Рис. 2

 

Линии, проведенные на  диаграмме,  характеризуют движение отдельных электронов,  скорость которых определяется углом наклона линии к оси абсцисс.

Рассмотрим группировку электронов 1-6, влетающих в первый резонатор в различные моменты времени в течение периода высокочастотных колебаний U1Sint. Из рисунка видно, что центрами электронных сгустков являются электроны 4,  пролетающие зазор резонатора в  момент  изменения направления высокочастотного напряжения с тормозящего на ускоряющее.

Вокруг них группируются электроны 3 и 5,  наиболее сильно замедленные (ускоренные) тормозящей (ускоряющей) фазой электрического поля в зазоре резонатора.Таким образом, ко второму резонатору электроны 3-5 подходят плотными сгустками с интервалом во времени,  равным  периоду  колебаний  в первом резонаторе.  Если  второй  резонатор настроен на ту же частоту, что и первый,  то в его  зазоре  находится  высокочастотное  напряжение U2Sint, так что электронные сгустки оказываются в максимумах тормозящих полупериодов. На рисунке также видно,  что не все электроны, проходящие модулирующий резонатор (первый резонатор), группируются в сгустки. Например, при синусоидальной  форме  модулирующего напряжения электроны 2 и 6 не попадают в тормозящий полупериод высокочастотного поля второго резонатора, а  попадают в ускоряющий полупериод и отбирают от него электромагнитную энергию.  Мощность колебаний во втором резонаторе может  значительно превышать мощность входного сигнала, что обеспечивает усиление, а при наличии обратной связи между вторым и первым  резонаторами  -  и самовозбуждение двухрезонаторного клистрона.Двухрезонаторные клистроны имеют коэффициент усиления Кp=10-15дБ, коэффициент полезного  действия  =10-15%,  полоса усиливаемых частот менее 1%.

Аналогичные три основных этапа работы происходят и в лампах бегущей волны.  Но в этих приборах все три этапа  проиcходят  при  движении электронов   вдоль   замедляющей  системы,  тем  самым  обеспечивается длительное динамическое взаимодействие электронного потока и  электромагнитной волны СВЧ. Такие приборы работают в более широкой полосе частот (до 60% от fо) и обладают более высоким КПД (до 50%).

Таким образом  при  динамическом управлении электронным потоком в приборах СВЧ можно выделить три этапа:

- модуляция электронного потока по скорости;

- модуляция электронного потока по плотности и образование сгустков электронов;

- отдача кинетической энергии сгустков  электромагнитному полю СВЧ.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Развитие многих отраслей техники связано с совершенствованием параметров и конструкций электронных приборов  СВЧ.  В  настоящее  время проводятся исследования по уменьшению массы,  снижению питающих напряжений, повышению надежности. Заслуживает внимания разработка миниатюрных пролетных клистронов (минитронов). Эти приборы имеют более высокие электрические параметры,  чем их неминиатюрные аналоги, отличаются существенно меньшими габаритами и массой (единицы кубических сантиметров и грамм) и работают при более низких напряжениях (десятки вольт).

Задание на самостоятельную подготовку

1. Изучить материал по учебнику [Л1] страницы 475-477.

Старший преподаватель кафедры N9

доцент             п/п        Г.Подлеский

Рецензент:         

доцент          п/п

Б.Степанов


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59731. Державні символи України 53 KB
  Мета: 1 закцентувати увагу на державних символах; 2 повторити документи які узаконюють державність; 3 показати відображення питань української символіки в літературі та мистецтві; 4 виховання патріотичних почуттів у підростаючого покоління.
59732. Кривенька качечка 40.5 KB
  Нічого я ще не знаю, бабуся миленька. Давай підемо по грибки, ти моя старенька. Бери козуб і корзину, я візьму відерце, Наберемо ще води ми з чистого джерельця, Назбираємо грибочків, ягідок нарвемо, Зваримо юшки із грибами, млинців напечемо.
59733. Свято весни. Методична розробка уроку 40.5 KB
  Здрастуй день і здрастуй сонце ясне Промені червоні вище підіймай Хай земля всміхається прекрасна Виграє веселкою весна. В сиву давнину пора року весна відзначалась великою кількістю розмаїтих обрядів ігор пісень.
59734. Інсценівка для дітей. На лісовій галявині 40.5 KB
  На сцені розкладені вирізані з паперу квіти, на кожній квіточці — цукерка. Це галявина. На галявину вибігає дівчинка, одягнена в одяг жовто-брунатного кольору, на голові великий жовтий бант. Це — Бджілка. В руці кошик. Вона побачила квіти і (почала збирати цукерки-нектар).
59735. Олександр Олесь «Печенізька облога Києва» 34.5 KB
  Олександр Олесь Печенізька облога Києва. Виразне читання поезії Олександра Олеся Печенізька облога Києва. Розкажіть про становище Києва в облозі.
59736. Разработка приложения, поддерживающего диагностику электрических линий и устройств для легковых автомобилей 8.07 MB
  При современном развитии техники и технологии идет непрерывный процесс совершенствования как самой продукции, так и средств ее производства. Появляются новые системы САПР и модернизируются старые, максимально упрощая путь от идеи до готового изделия
59737. Сценарій до свята Святого Миколая 46 KB
  Ангел: Як же Миколай святий Знайде стежку до дітей Вітер вбігає з метлою: Не турбуйтесь слуги Божі Вітер радо вам поможе. Виходять з санчатами Яринка та Тарасик Яринка: Чом Тарасе не видати Ні одного агеляти Ні дзвіночків не чувати Може Миколай Святий...
59738. Свято Миколая – вірші, оповідання, пісні, народні звичаї та прикмети 45.5 KB
  Листопад Біла молитва братика Хто він той святий Миколай гість з неба на которого так чекають діти Легенда опівадає що у дитинстві а ріс Миколай у заможній родині горнувся хлопчик до бідних нужденних скривджених голодних та калік. Святий Миколай лужком бережком.
59739. Новела М.Хвильового Я (Романтика) 46 KB
  Дослідити образну систему новели, проблематику, стилістичні особливості та ідейний зміст для досягнення розуміння учнями світоглядних позицій автора та ствердження гуманістичних ідей твору на противагу антигуманним.