|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Общие сведения об электронных приборах СВЧ и квантовых приборах (ЭП СВЧ и КП)Стр 1 из 15Следующая ⇒
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ А – анод АМ – амплитудная модуляция Ан – анализатор Атт – аттенюатор Б – баллон вакуумный ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи ВОУ – волоконно-оптический усилитель Г – генератор ГЛ – газовый лазер (ОКГ) ГСВЧ – генератор СВЧ ГДГ – генератор на диоде Ганна ГЛПД – генератор на лавинно-пролетном диоде ДГ – диод Ганна Е – фокусировка типа «Е» электростатическим полем Е0 ЖЛ – жидкостный лазер (ОКГ) ЗС – замедляющая система ИМ – импульсный модулятор (модуляция) К – катод (горячий) КГ – квантовый генератор Кол – коллектор КП – квантовые приборы ЛБВ – лампа бегущей волны ЛОВ – лампа обратной волны ЛПД – лавинно-пролетный диод М – фокусировка типа «М» в ортогональных Е0- и Н0- полях Маг – магнитная система Мод – модулятор НЛ – неодимовый лазер (ОКГ) О – фокусировка типа «О» соосным пучку магнитным полем Н0 ОК – отражательный клистрон ОКГ – оптический квантовый генератор ОМ – оптический модулятор П – подогреватель ПАВ – поверхностно-акустическая волна Пол – поляризатор (света) ПП СВЧ – полупроводниковые приборы СВЧ Р – резонатор РЛ – рубиновый лазер (ОКГ) С – сетка СВЧ – сверхвысокие частоты ТЛ – твердотельные лазеры (ОКГ) УДГ – усилитель на диоде Ганна УЗС – узкополосная замедляющая система УЛПД – усилитель на ЛПД Упр. эл. – управляющий электрод Уск. эл. – ускоряющий электрод Ф (или ФЭ ) – фокусирующий электрод ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты ФВ – ферритовый вентиль ФД – фотодиод ФК – фотокатод ФМ – фазовая модуляция ФЦ – ферритовый циркулятор ФЭУ − фотоэлектронный умножитель ХК – холодный катод ЦЭФ – центробежная электростатическая фокусировка ЧМ – частотная модуляция ШЗС – широкополосная замедляющая система ЭП – электронные приборы ЭПР − электронный парамагнитный резонанс
Пояснительная записка Курс «Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы» (ЭП СВЧ и КП) является общеинженерным для специальности 210302.65 «Радиотехника». Цель курса – изучение принципов и физики работы, конструкций, схем включения, параметров и эксплуатационных характеристик электронных приборов СВЧ и квантовых приборов, используемых для построения узлов радиоприемных, усили-тельных, радиопередающих и радиоизмерительных устройств СВЧ инфракрас-ного (ИК) и оптического диапазонов. По завершении курса студенты должны знать следующее: − уметь выбирать нужные ЭП СВЧ и КП для решения возникшей техничес-кой задачи с учетом их конструктивных особенностей и возможностей безопас-ного применения; − уметь составлять электрические схемы подключения источников питания к ЭП СВЧ и КП и выбирать возможности получения требуемых эксплуатационных характеристик; − получить практические навыки измерения основных характеристик некото-рых ЭП СВЧ и КП на лабораторных работах. Курс «ЭП СВЧ и КП» базируется на следующих дисциплинах: «Основы теории цепей», «Электроника», «Радиотехнические цепи и сигналы» и «Электро-динамика». Знания, полученные при изучении данной дисциплины, используются затем в курсах «Устройства генерирования и формирования сигналов», спецкурсе «Радиопередающие устройства СВЧ», при дипломном проектировании. Особенность курса – использование понятий электродинамики и техники СВЧ, наличие специфики в построении и принципах работы ЭП СВЧ и КП, что существенно отличает этот материал по трудности восприятия от курсов по основам теории цепей и др. Ещё одна особенность курса «ЭП СВЧ и КП» – большое разнообразие типов и названий приборов, что требует определенных усилий при их запоминании. Для обеспечения решений этой задачи основные функциональные классификации различных видов приборов (электронных, полупроводниковых и квантовых) приведены в виде структурных схем. Курс «ЭП СВЧ и КП» изучается в течение седьмого (вечернее отделение) или восьмого семестров (заочное отделение). Состоит из двух частей: первой – «ЭП СВЧ», куда включены в один из разделов специальные полупроводниковые приборы СВЧ, и второй – «Квантовые приборы». В учебно-методическом комплексе представлены рабочая программа курса, тематический план, опорный конспект лекций, описание лабораторных и расчет-но-графических работ, контрольные вопросы, глоссарий, список литературы. Предлагаемый студентам-заочникам и вечерникам учебно-методический комплекс является своеобразным путеводителем по курсу «Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы» и не содержит всей необходимой информации для усвоения дисциплины. Многие особенности построения и эксплуатации ЭП СВЧ и КП можно получить только из указанной в комплексе литературы. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ДИСЦИПЛИНЫ
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА КУРСА
Рис. 1.3. Модуляция электронов по скорости в зазоре резонатора
Рис. 1.4. Узкополосная замедляющая система резонаторного типа
Рис. 1.5. Широкополосная замедляющая система нерезонансного типа
Наведение тока во внешней цепи зазора (в КС или ЗС) приводит к появлению СВЧ-напряжения на эквивалентном сопротивлении этой цепи zэ, при этом полярность падения мгновенного значения напряжения будет такова, что проле-тающий сгусток электронов будет тормозиться в возникающем электрическом поле и энергия электронов станет отдаваться в резонатор (рис. 1.6, а) или в ЗС. Эквивалентная схема процесса показана на рис. 1.6, б.
а) б)
Рис. 1.6. Наведение тока в резонаторе (а) и эквивалентная схема процесса (б)
В соответствии со способом модуляции равномерного потока электронов (в зазоре резонатора, цепочке резонаторов, широкополосной ЗС) различают прибо-ры: − с кратковременным взаимодействием (в одном зазоре); − длительным взаимодействием (в ЗС, где поток электронов должен дви-гаться примерно со скоростью замедленной ЭМВ); − узкополосные (при использовании одного резонатора или их цепочки в виде узкополосной ЗС); − широкополосные, где применяются ШЗС. Ввиду неравномерности группировки электронов по плотности (в сгустки) конвекционный и наведенный токи получаются в виде импульсов, следующих с периодом колебаний СВЧ. Поскольку последовательность импульсов содержит высшие гармоники, её можно представить рядом Фурье, например вида iконв(ω t)= J0+ 2 J0 где Jn(nX)– функция Бесселя I рода n-го порядка от аргумента Х, X= Θ MUm/2U0 (1.11) – параметр группировки на угле пролета Θ в пространстве длиной S. Таким образом, электронные приборы можно использовать и в режимах умножения частоты (например пролетный умножительный клистрон). Здесь Ввиду торможения сгустка (импульса конвекционного тока) в зазоре или в ЗС наведенный импульс тока будет иметь спадающую вершину (уменьшение υ 0 в соотношении iнав= q υ 0/d).
Классификация ЭП СВЧ
В соответствии с рассмотренными особенностями и принципами построения ЭП их можно разделить на несколько групп. В приборах с длительным взаимодействием электронный поток может обме-ниваться энергиями с бегущими прямой или обратной волной (соответствен-но существуют лампы бегущей (ЛБВ) и обратной (ЛОВ) волны с соответствующим типом фокусировки потока и его группирования в сгустки (типы «О», «Е», «М»). Наличие прямых и обратных волн в ЗС связано с несинусоидальным (Нели-нейным) распределением в них амплитуды ЭМП по продольной оси z, что позво-ляяет представить это поле в виде пространственных гармоник ряда Фурье по z, распространяющихся с различными положительными и отрицательными фазовы-ми скоростями υ фк. Обычно в ЭП используют нулевую прямую пространственную гармонику (скорость υ ф0) и первую обратную пространственную гармонику (ско-рость υ ф-1). Наличие дисперсии фазовых скоростей (нормальной для υ ф0, уменьша-ющейся с ростом частоты f и аномальной для υ ф-1, растущей с увеличением f) не позволяет реализовать ЭП с бесконечно широкой полосой усиления или гене-рации. Приборы с обратной волной создаются обычно как автогенераторы, посколь-ку они легко самовозбуждаются за счет наличия внутренней положительной об-ратной связи через электронный поток (электронный поток движется со скоростью υ 0 ≈ υ ф-1 навстречу распространению энергии СВЧ в ЗС с групповой скоростью υ гр: он синхронизирован с υ ф-1, направленной противоположно распространению υ гр). Приборы с прямой (бегущей) волной создаются как усилители СВЧ. На основе приборов с кратковременным и длительным взаимодействием возможно создание комбинированных приборов (например, комбинации пролетного клистрона и ЛБВ-О – твистрона или комбинации лампы-триода СВС с пролетным клистроном – клистрода). Далее (рис. 1.7) приведена функциональная классификация основных типов ЭП СВЧ, а также их названия. Их конкретное устройство рассматривается в курсе лекций и в учебниках.
Рис. 1.7. Функциональная классификация ЭП СВЧ
Необходимо отметить, что деление ЭП СВЧ на усилители (У) и автогене-раторы (Г) в какой-то мере условно. В принципе любой усилитель СВЧ можно превратить в автогенератор путем введения внешней положительной обратной связи (ОС) и выполнения условий баланса фаз и амплитуд: 1) ∑ φ =φ y+φ ос= 2π n, (n = 1, 2, 3,..); 2) кобщ= кy+кос ≥ 1, где φ y, φ ос, кy, кос – фазовые сдвиги и коэффициенты передачи усилителя СВЧ и цепи ОС. Для реализации указанных условий в цепь ОС через направленный ответ-витель НО включают аттенюатор и фазовращатель (рис. 1.8, а).
а) б)
Рис. 1.8. Усилитель СВЧ в режиме автогенератора (а); включение автогенератора СВЧ в режим регенеративного усиления (б)
Наоборот, нарушением условий баланса амплитуд в автогенераторе (напри-мер уменьшением рабочего тока) можно ввести его в режим регенеративного усиления с положительной внутренней ОС, осуществив развязку входного и вы-ходного сигналов с помощью невзаимного развязывающего устройства – фер-ритового циркулятора (рис. 1.8, б). По этой же схеме рис. 1.8, б можно осуществить синхронизацию ГСВЧ в режиме генерации (Iраб > Iпуск) внешним сигналом мощностью Рс< < Рг (Рг – генерируемая мощность) на частоте синхронизации fс, близкой к частоте генера-ции fг. Относительная полоса синхронизма Более подробное рассмотрение ЭП СВЧ с указанием их особенностей, назначения, названия и типа фокусировки, частотного диапазона, полосовых свойств, выходной мощности, основных характеристик и схемы электропитания приведено далее.
ЭП СВЧ клистронного типа ПК в режиме генерации
Если организовать цепь положительной обратной связи с выхода ПК на его вход с использованием направленного ответвителя, аттенюатора и фазовращателя (рис. 1.8, а), то ПК из усилителя превратится в автогенератор. Изготавливаются также и генераторные ПК, у которых входной и выходной резонаторы связаны через отверстие связи или отрезок линии. В генераторных ПК при изменении ускоряющего напряжения U0 будет варьироваться скорость электронов υ 0, созда-вая условия баланса фаз на разных частотах. Это дает возможность перестраивать частоту генерации ПК (рис. 2.8), при этом могут образоваться не одна зона генерации при разных U0.
Рис. 2.8. Зоны генерации генераторного ПК
«Провал» в центре зон генерации по мощности обусловлен попаданием на входной резонатор мощности больше оптимальной на частоте резонанса и возникновением перемодуляции электронного потока (оптимальная группировка происходит до выходного зазора). Очевидно, что мощность генерации будет больше при большем U01, чем при U02, а крутизна электронной перестройки наоборот (S2 > S1, Специально изготавливаемые двухрезонаторные генераторные ПК в сантиметровом и миллиметровом диапазонах имеют выходную мощность до 10 Вт при η э≈ 10 %. Мощные усилительные ПК можно ввести в режим генерации на номинальной мощности в единицы МВт в импульсе. Двухрезонаторные ПК используются так же, как умножители частоты, с небольшой кратностью (выходной резонатор настроен на гармонику n = 2 или n = 3), при этом можно получить превышение выходной мощности над входной.
Отражательные клистроны
В отличие от двухрезонаторных ПК в отражательных клистронах (ОК) режим генерации создается за счет одного резонатора, возврат электронных сгуст-ков в который в нужной (тормозящей) фазе осуществляется за счет поля отрица-тельного электрода – отражателя, не потребляющего тока. Отражательный клист-рон также представляет собой вакуумный баллон, состоящий из горячего катода с подогревателем, фокусирующего электрода, ускоряющего анода, резонатора с выводом энергии СВЧ-колебаний и отражателя. Схема подключения источников питания показана на рис. 2.9. Отражательные клистроны не требует фокусировки продольным магнитным полем или электростатической фокусировки, так как длина электронного пучка в ОК весьма мала. У ОК всегда заземлен резонатор, чтобы исключить попадание высокого напряжения на вывод энергии СВЧ.
Рис. 2.9. Электрическая схема включения ОК
Электронный поток, ускоренный до скорости υ 0 напряжением U0, пролетает через зазор резонатора в виде двух сеточек и за счет флюктуаций тока в широком спектре частот возбуждает в резонаторе очень слабые колебания на частоте резонатора fрез. СВЧ-поле в зазоре начинает модулировать электроны по скорости, что приводит к небольшой модуляции по плотности. Если отрицательное напря-жение на отражателе подобрать таким, чтобы возврат сгустков электронов проис-ходил в моменты тормозящего переменного поля в зазоре («+» на верхней сетке, «–» на нижней), то за счет отдачи кинетической энергии электронами амплитуда колебаний в резонаторе будет возрастать до установления стационарного режима. Возврат сгустков электронов в тормозящую фазу может происходить за разные промежутки времени, кратные периоду колебаний Т. Из пространственно-времен-ной диаграммы (рис. 2.10) видно, что это оптимальное время τ опт= 3/4Т + nТ, где n = 0, 1, 2… Поэтому в ОК возможно несколько зон генерации при разных значениях –Uотр. Оптимальный угол пролета в зонах генерации будет равен Θ опт=2π (n+3/4), (2.9) где n = 0, 1, 2, 3…. При Θ = Θ опт возникает баланс фаз (положительная обратная связь по пе-ременному току). Баланс амплитуд может быть выражен условием равенства нулю проводимостей потерь в резонаторе Gр, в нагрузке Gн (пересчитанной в резонатор) и отрицательной проводимости Gэл, вносимой в резонатор электрон-ным потоком: Gр +Gн +(– Gэл) = 0. (2.10)
Рис. 2.10. Пространственно-временная диаграмма движения электронов в ОК
Изменение –Uотр внутри зон генерации выше или ниже оптимального значения приводит к изменению мощности вплоть до срыва генерируемых коле-баний (потери превышают вносимую энергию). Изменяется и частота генерации, поскольку при вариациях –Uотр изменяется момент (фаза) прихода сгустка в зазор по отношению к максимуму тормозящего поля: чем больше |–Uотр|, тем быстрее возвращаются электроны и выше частота колебаний. Зависимость f г= f (|–Uотр|) близка к тангенциальной. Крутизна перестройки частоты S [
Рис. 2.11. Зоны генерации ОК по частоте и мощности
С увеличением номера зоны генерации мощность в зоне уменьшается, поскольку из-за двойной функции резонатора (модуляция электронов по скорости и отбор от них энергии для поддержания колебаний) более протяженные траекто-рии (большие углы пролета) требуют меньшего модулирующего напряжения, т.е. мощность генерации уменьшается. Даже в зонах n = 0 и n = 1 из-за двойного назначения резонатора обычно не удается получить мощность более 1 Вт в непрерывном режиме. Однако в импульсном режиме генерации возможна форси-рованная работа ОК за счет одновременного повышения отрицательного напря-жения на отражателе и импульсного ускоряющего напряжения Uо на катоде. При таком включении ОК возможна генерация мощности более 1 Вт в импульсе у ОК с паспортным значением мощности генерации порядка 0, 2 Вт. Разработан миниатюрный вариант ОК – минитрон с рабочими напряжениями всего в десятки вольт и малой массой, что даёт возможность такому генератору СВЧ конкурировать с полупроводниковыми генераторами, особенно в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн.
ЛБВ-О в режиме генерации ЛБВ-О, как и пролетный клистрон, можно использовать в режиме автоге-нератора (рис. 1.8, а ) сизменением частоты генерации в зависимости от ускоряю-щего напряжения U0. Для предотвращения генерации на двух и более частотах, для которых при выполнении условия баланса амплитуд выполняются и свои условия баланса фаз, в цепь положительной обратной связи помещают полосовой фильтр (например полосковой конструкции) или низкодобротный резонатор на требуемую частоту генерации. Полоса перестройки ЛБВ-О как генератора узкая (единицы %), а модулятор для изменения U0 должен иметь необходимую мощность. Однако, в отличии от генераторных ламп обратной волны типа «О» (ЛОВ-О), выходная мощность у ЛБВ-О в режиме генерации достигает номиналь-ной (паспортной), и она много больше, чем у ЛОВ-О. Гироконы
Гироконы как мощные усилители метрового и дециметрового диапазона были предложены в 60-х годах в СССР группой академика Г.И. Будкера. Термин «гирокон» составлен из двух слов: «giros» (греч.) – круг, «continuum» (латин.) – непрерывный. В гироконе непрерывный электронный пучок модулируется во входном резонаторе по направлению, что создает его вращение по кругу. В ре-зультате он попадает во второй кольцевой волноводный резонатор через кольце-вую прорезь (щель) по центру волновода (рис. 5.5). При отклонении пучка он перемещается по кругу вдоль сквозной кольцевой щели, оставаясь за счет синхро-низации с волной (υ вращ = υ фк) в тормозящей фазе электрической составляющей электромагнитной бегущей волны в резонаторе (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Идея работы одного из видов гироконов
Фокусировка пучка и его дополнительное выравнивание для вхождения в щель параллельно продольной оси z осуществляется электростатической фокуси-рующей системой, а сбор электронов после пролета через щель в резонаторе происходит в кольцевом коллекторе. Источником пучка является ускоряющая высоковольтная электронная пушка, поэтому здесь также возникает побочное рентгеновское излучение. В гироконах при ускоряющих напряжениях от долей до единиц МВ получены мощности от единиц в непрерывном режиме до сотен МВт в импульсном при коэффициенте усиления 20÷ 25 дБ и КПД более 80 %. Их недостаток – узкая полоса усиления (доли %). Метровый диапазон волн нашел широкое применение в радиолокации для дальнего обнаружения целей, в том числе и выполненных по технологии «стелс», поскольку поглощающее покрытие, рассчитанное на большое поглощение в сантиметровом диапазоне, в метровом диапазоне ввиду малой электрической толщины покрытия (много меньше длины волны) дает очень слабое поглощение и значительный отраженный от цели сигнал. Квантовые приборы Классификация КП В КП взаимодействие ЭМП происходит с веществом (с электронами, связан-ными с веществом), а не со свободными потоками электронов, как в ЭП и ПП. Это взаимодействие ЭМП с веществом происходит дискретно, квантами. Частота кванта f21 определяется разностью энергий W2 – W1 состояний атома, молекулы:
где h = 6, 6·10-34, Дж·с (или Энергетическое состояние атома, молекулы определяется энергетическими уровнями электронов в них (в соответствии со значениями квантовых чисел: главного, азимутального, радиального, спинового). Изменение энергетического состояния атома, молекулы может происходить как с уменьшением энергии (с испусканием кванта ЭМП или без излучения), так и с увеличением энергии (с поглощением кванта ЭМП). Переход в нижнее энергетическое состояние может быть самопроизвольным (спонтанным, соответственно со спонтанным излучением квантов) и вынужден-ным (индуцированным), под действием квантов ЭМП той же частоты, например квантов спонтанных переходов. Интенсивность спонтанных переходов характеризуется коэффициентом спонтанного излучения А21, 1/с, определяемым временем нахождения частицы в данном энергетическом состоянии (средним временем жизни) Интенсивность индуцированных переходов «вниз» характеризуется коэф-фициентом индуцированного излучения В21. Интенсивность переходов в верхнее энергетическое состояние характери-зуется коэффициентом индуцированного поглощения В12. Для увеличения вероятности такого перехода необходима определенная плотность энергии фото-нов wf. При достаточной плотности энергии wf В12≈ В21 и вероятность индуци-рованных переходов «вверх» и «вниз» одинакова. Условием преобладания индуцированного излучения над спонтанным в квантовой системе является получение состояния инверсной населенности уровней нижнего N1 и верхнего N2, обратной распределению населенности по закону Больцмана:
когда становится N2> N1 (соответствует Т< 0, т.е. активному состоянию с «отрицательной абсолютной температурой среды»; здесь hf21N2B21wf – hf12N1B12wf = ∆ W (7.3) Если же N1> N2, то энергия (– ∆ W) поглощается. При N1=N2 имеет место просветление среды. При N2> N1 по закону Бугера-Ламберта будет происходить усиление света на частоте f21 при прохождении по пути z через активную среду:
где Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-11; Просмотров: 1030; Нарушение авторского права страницы
, 
.
будет зависеть от отношения 
и может составлять единицы процентов. Относительная нестабильность генери-руемой частоты 
при этом станет близка к относительной нестабильности частоты 
синхронизирующего сигнала более высокой стабильности.
). Величина относительной перестройки генераторного ПК составляет 
≈ 1 %, при этом она сопровождается потреблением мощности от источника питания.
(7.1)
) – постоянная Планка.
.
(7.2)
– постоянная Больцмана). Излучаемая при этом энергия ∆ W будет определяться соотношением (при N2> N1): 
, (7.4)
– натуральный показатель поглощения, который при N2> N1 становится отрицательным.