Електронні та квантові прилади надвисоких частот

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ

КАФЕДРА РАДІОТЕХНІКИ

РОЗРАХУНКОВО-ГРАФІЧНА РОБОТА

з дисципліни: «Електронні та квантові прилади надвисоких частот»



Зміст

Вступ

1. Вибір і обґрунтування класу приладів НВЧ

2. Опис схеми прольотного клістрону та принцип його дії

3. Схема включення і розрахунок основних параметрів обраного електронного приладу

4. Рекомендації по використанню розробленої схеми на практиці

Висновок

Список використаної літератури



Вступ

Електровакуумні прилади, призначені для роботи в діапазоні надвисоких частот (НВЧ), займають особливе місце серед сучасних електровакуумних та газорозрядних приладів. Велику роль в цьому грає використання діапазону НВЧ в радіолокації, зв'язку та інших галузях науки та техніки. Водночас з цим існують обставини, які принципово відрізняють техніку НВЧ від «звичайної» (низькочастотної) електроніки. Ці обставини зв'язані зі специфічними властивостями діапазону надвисоких частот.

Першим важливим фізичним фактором, характеризуючим електроніку НВЧ, є сумірність періоду коливань з часом прольоту електронів між електродами електронного приладу. Цей час має в звичайних лампах величину порядку 10- 10с. Отже, вже при частотах 10-10Гц, тобто в діапазонах метрових і дециметрових хвиль, час прольоту приблизно дорівнює періоду коливань. У діапазонах сантиметрових і міліметрових хвиль час прольоту може перевищувати період коливань на порядок і більше. Інерція електронів різко порушує чи заважає підсиленню і генеруванню коливань і іншим функціям, що успішно виконуються електровакуумними приладами на порівняно низьких частотах.

Друга основна складність в електроніці при підвищені робочої частоти носить „схемний” характер. Для підвищення резонансної частоти будь-якої коливної системи необхідно зменшити її індуктивність і ємність. Довжина хвилі стає сумірною з геометричними розмірами зовнішнього кола, а також з розмірами електродів самої лампи. В результаті цього вже на хвилях метрового діапазону індуктивності входів лампи і міжелектродні ємності виявляються сумірними з параметрами зовнішнього кола. Це призводить до обмеження робочої частоти ламп і викликає необхідність перегляду шляхів конструювання електронних приладів при переході до НВЧ-діапазону.

Одним зі шляхів подолання відзначених утруднень є мініатюризація ламп - скорочення міжелектродних відстаней і зменшення геометричних розмірів електродів і входів. При цьому, з одного боку, вдається зменшити час прольоту електронів між електродами приладу. З другого боку, мініатюризація дозволяє зменшити внутрішньо-лампові індуктивності і ємності, а також послабити випромінювання з контуру, складовою якого є електронна лампа. Зменшення індуктивностей можна досягти також шляхом використання входів, виконаних у вигляді металевих дисків чи циліндрів.

В результаті мініатюризації і вибору більш раціональної конструкції вдається, не змінюючи принципів дії ламп, створювати прилади малої потужності, здатні працювати аж до сантиметрового діапазону довжин хвиль. Проте для просування електронних приладів в область ще більш коротких хвиль і для одержання у всьому діапазоні НВЧ великих потужностей необхідна корінна зміна принципів роботи надвисокочастотних приладів, тому були розроблені спеціальні типи електронних приладів, які не мають аналогів в низькочастотній електроніці і використовуються лише на надвисоких частотах.

Специфічні особливості техніки НВЧ привели до того, що сучасні надвисокочастотні електровакуумні прилади, як правило, включають в себе всю коливну систему та інші елементи, функції яких відносились раніше до класичної радіотехніки.



1. Вибір і обґрунтування класу приладів НВЧ

При розробці конкретних НВЧ-пристроїв можуть бути використані різні типи електронних приладів. Вибір того чи іншого типу приладу обумовлений функціональним призначенням пристрою (генератор або підсилювач), порівнянням широкого кола параметрів, наприклад, вихідної потужності, коефіцієнту підсилення за потужністю, смуги частот, значень струмів і напруг живлення, маси та габаритів приладу . В даний час розроблено багато приладів, що відрізняються як принципом дії, так і областю застосування. На рисунку 1.1 зображена класифікація електронних приладів НВЧ:

Рисунок 1 - Класифікація електронних приладів НВЧ

Електроні прилади діляться на напівпровідникові прилади та електровакуумні прилади НВЧ.

Напівпровідникові прилади НВЧ поділяються на діоди ( тунельні, Ганна, лавинно-пролітні) та транзистори ( біполярні, польові).

Діоди:

1. Тунельний діод. Тунельним називається напівпровідниковий діод, у якому використовується тунельний механізм переносу носіїв заряду через р-n перехід і в характеристиці якого є область негативного диференціального опору. Для виготовлення тунельних діодів використовуються германій, арсенід і антимонід галію. Найбільш широке поширення одержали германієві тунельні діоди.

Параметри:

Частота та потужність. Важлива перевага тунельного діода перед звичайними напівпровідниковими приладами полягає в його дуже високій робочій частоті. Це пояснюється тим, що тунельний перехід електронів відбувається практично миттєво порядку 10-13 с. Виготовлені в даний час тунельні діоди можуть працювати на частотах ѓ= 0,1...100ГГц. Верхня межа частотного діапазону є власна ємність, тобто тунельний діод складається з активної і реактивної складової. Генеруюча потужність в них досить мала: в дециметровому діапазоні їх максимальна вихідна потужність складає десятки міліват, а в міліметровому - всього декілька мікроват.

Коефіцієнт підсилення. Коефіцієнт підсилення тунельного діоду, знаходиться в межах 8...38дБ.

Полоса пропускання. Залежить від схемного рішення.

Коефіцієнт шуму. К=4дБ на ѓ=1ГГц, 5дБ на ѓ=10ГГц та 7дБ на ѓ=20ГГц.

Габарити та маса. Мають малі розміри. Маса діодів теж дуже мала та складає від десятих долей грама до 1г.

Високі робочі частоти, малі шуми, слабка залежність параметрів від температури, наявність від'ємного диференціального опору дають змогу застосувати тунельний діод для підсилення і генерування сигналів, в схемах перемикання та швидкодіючих імпульсних пристроях.

Даний прилад нам не підходить, так як в нього дуже мала вихідна потужність і також менший чим даний нам за варіантом коефіцієнт підсилення.

2. Лавинно-пролітні діоди. Напівпровідниковий прилад з негативним опором, що виникає із-за зрушення фаз між струмом і напругою на виводах приладу унаслідок інерційних властивостей лавинного множення носіїв заряду і кінцевого часу їх прольоту в області р-n-переходу. Лавинне множення в р-n-переході викликане ударною іонізацією атомів носіями заряду. На відміну від ін. приладів цього класу ( тунельних діодів, тиристорів, діодів Ганна) , негативний опір ЛПД виявляється лише на СВЧ(надвисокі частоти).

Частота та потужність ЛПД . Застосовуються для генерування коливань в діапазоні частот від 1 до 300 Ггц. Максимальне значення потужності ЛПД при роботі в постійному режими складає 20...40Вт на ѓ=0,5...10ГГц, до 1,5Вт на ѓ=20...60, 100мВт наѓ=100...200ГГц та до10мВт наѓ?300ГГц.

ККД. Максимальне значення ККД при роботі ЛПД в імпульсному режимі складає 30% на ѓ=1...3ГГЦ, 25% на ѓ=8...10ГГц, 12% на ѓ=50ГГц і 8,5 на ѓ?100ГГц.

Коефіцієнт підсилення. В ЛПД коливається від 10 до 30 дБ.

Полоса пропускання. Ширина полоси пропускання залежить від вихідної потужності і коефіцієнта підсилення. Смуга пропуску коливається в межах 1-20%.

Коефіцієнт шуму. В сучасних ЛПД коливається в межах 17-40 дБ.

Габарити та маса. Сучасні ЛПД мають порівняно невеликі габаритні розміри. Маса діодів знаходиться в межах від декількох десятих долей до одиниць грамів.

Цей прилад також нам не підходить, через свою малу вихідну потужність, та коефіцієнт підсилення що не підходить нам за варіантом.

3. Діоди Ганна. Тип напівпровідникових діодів, що використовується для генерації та перетворення коливань у діапазоні НВЧ. На відміну від інших типів діодів, принцип дії діода Ганна заснований не на властивостях p-n переходів, а на власних об'ємних властивостях напівпровідника.

Частота та потужність. В постійному режимі їх Р=1,4Вт на ѓ=1...10ГГц, 0,5Вт на ѓ=20ГГц та 0,25Вт на ѓ=30ГГц. На частотах більших за 30ГГц Р=20...100мВт. Найбільша вихідна потужність в імпульсі отримана на ѓ=1,75ГГц. Вона складає 6кВт при К=10 та ?=10%.

ККД. При роботі в постійному режимі максимальне ККД=10...12% на ѓ<20ГГц, 5...6% на ѓ<40ГГц та 2...3% на ѓ=90ГГц. Імпульсні діоди Ганна в доменному режимі мають ??30% на ѓ=1...10ГГц, 20% на ѓ=20...30ГГц.

Коефіцієнт підсилення. Діоди Ганна використовуються також для підсилення НВЧ коливань. В залежності від профілю легування та частоти зазвичай К=6...15дБ.

Коефіцієнт шуму. Найкращі значення коефіцієнта шуму отримані на діодах Ганна коливаються від 2,5-7,5 дБ.

Габарити та маса. Діоди Ганна виготовляють в декількох конструктивних варіантах, які зводять до двох основних різновидів: типа „сандвіч” та планарного. Маса цих діодів знаходяться в межах від одного до декількох грамів.

Цей прилад також нам не підходить, через свою малу вихідну потужність та коефіцієнт підсилення, що не підходить нам за варіантом.

Транзистори:

1. Біполярний транзистор. Це електроперетворювальний напівпровідниковий прилад з одним або декількома електричними переходами, призначений для посилення, перетворення і генерації електричних сигналів. Визначення "біполярний" вказує на те, що робота транзистора пов'язана з процесами, в яких беруть участь носії заряду двох сортів (електрони і дірки). Транзистор являє собою пластину германію, або кремнію, або іншого напівпровідника, в якій створено три області з різною електропровідністю.

Частота та потужність. Біполярні НВЧ транзистори, працюють на частотах до 10ГГц. По вихідній потужності вони діляться на малопотужні (менше 1Вт) та потужні (вище 1Вт). В даний час максимальна вихідна потужність біполярних транзисторів в постійному режимі коливається від 5 до 100 Вт.

ККД. ККД потужних біполярних транзисторів досягає 65...70% на ѓ?1ГГц, 50% на ѓ=4ГГц.

Коефіцієнт підсилення. У більшості транзисторів К=6...50дБ

Коефіцієнт шуму. Біполярні транзистори дозволяють створювати малошумлячі підсилювачі на ѓ=0,3...10ГГц. При цьому коефіцієнт шуму змінюється від 3-10 дБ.

Даний прилад нам не підходить через свою малу потужність.

2. Польовий транзистор. Напівпровідниковий пристрій, переважно із трьома виводами, в якому сила струму, що протікає між двома електродами (витоком і стоком) регулюється напругою, прикладеною до третього електрода (затвора).

Частота та потужність. Найкращі приклади цих транзисторів мають P=2,7Вт на ѓ=6ГГц та 2,2Вт на ѓ=8ГГц, 1Вт на ѓ=10ГГц та 0,2Вт на ѓ=21ГГц.

Коефіцієнт підсилення. Їх коефіцієнт підсилення в залежності від робочої частоти складає 3...15,2 дБ.

Коефіцієнт шуму. Сучасні конструкції польових транзисторів забезпечують отримання Кв межах від 1,7дБ на ѓ=4ГГц до 5дБ на ѓ=18ГГц.

Даний прилад нам не підходить через свою малу потужність та коефіцієнт підсилення.

Електровакуумні прилади НВЧ поділяються на прилади з динамічним керуванням (типу-О(ЛБХ-О, ЛЗХ-О та клістрони), типу-М (ЛБХ-М, ЛЗХ-М та магнетрони)) та електростатичним керуванням ( тріод, тетрод).

З динамічним керуванням (типу-О та типу-М):

1. Лампа зворотної хвилі О-типу. Лампа зворотної хвилі електровакуумний прилад, в якому для генерування електромагнітних коливань СВЧ використовується взаємодія електронного потоку з електромагнітною хвилею, що біжить по сповільнюючій системі в напрямі, зворотньому напряму руху електронів. Застосовуються в широкодіапазонних сигнал- і свіп-генераторах для радіотехнічних вимірів і радіоспектроскопії, в гетеродинах швидко перебудовуваних приймачів, в задаючих генераторах передавачів з швидкою перебудовою частоти.

Частота та потужність. ЛЗХ О-типу працюють на ѓ=1...350ГГц. Вихідна потужність в залежності від призначення та частотного діапазону складає 10мВт...10Вт. По призначенню та вихідній потужності прилади цього типу прийнято ділити на малопотужні для гетеродинів приймальних приладів та з підвищеною вихідною потужністю для генераторів передаючих приладів.

АМ та ЧМ шуми. АМ шуми на відстані 1кГц від несучої біля 135дБ, а на відстані 10кГц ці шуми на 145дБ нижче рівня несучої. ЧМ шум ЛЗХ О-типу 3см діапазону в полосі 1Гц на відстані від несучої 1...10кГц складає 0,3...1Гн. Рівень гармонічних складових коливання порівняно з коливаннями на несучій частоті послаблюючий на 30...50дБ.

Габарити та маса. Ці характеристики залежать від використовуваного методу фокусування електронного потоку, робочого діапазону частот та від будови виводу НВЧ енергії. Маса разом з постійними магнітами складає 0,5...16кг.

Даний прилад не підходить в зв'язку з тим що він виконує функції генератора, а за варіантом нам заданий підсилювач.

2. Клістрони. Електровакуумний прилад, що використовується для підсилення високочастотного радіосигналу, і в якому енергія від модульованого пучка електронів передається електромагнітному полю резонатора. Клістрони використовуються у приймачах та передавачах комунікаційних та радіолокаційних пристроїв, а також у прискорювачах заряджених частинок.. В залежності від принципу дії вони діляться на відбивні та пролітні.

а) Відбивні клістрони. Безумовним досягненням відбивних клістронів є простота та надійність конструкції, малі габарити та маса, невисока живляча напруга, присутність механічної та електричної перебудови частоти, механічна пружність, висока радіаційна стійкість та інші.

Частота та потужність. Відбивні клістрони працюють на ѓ=0,8...220ГГц. Вихідна потужність відбивного клістрона знаходиться в межах 10мВт...2,5Вт.

У більшості відбивних клістронів Р=10...500мВт.

Напруга резонатора. Відбивні клістрони в залежності від вихідної потужності та частоти працюють при U=200...2700В. Максимальна напруга відбивача у клістрона сантиметрового діапазону хвиль досягає 500В, а у клістронів міліметрового діапазону 1000В.

АМ та ЧМ шуми. Типовим для відбивних клістронів є рівень АМ шумів ~115дБ/кГц при відстані від несучої 100кГц та ЧМ шумів біля 100дБ/кГц.

Габарити та маса. Маса відбивних клістронів сантиметрового діапазону з підвищеною вихідною потужністю (1...2Вт) складає 0,5кг. Малопотужні відбивні клістрони сантиметрового та міліметрового діапазону хвиль мають масу 0,05...0,3кг.

Даний прилад не підходить в зв'язку з тим що він виконує функції гетеродина, а за варіантом нам заданий підсилювач.

б) Пролітні: Пролітні клістрони використовуються в якості підсилювачів та генераторів НВЧ коливань. Пролітні клістрони на відміну від приладів магнетронного типу зроблені так, що їх основні вузли для створення та формування електронного потоку, забезпечення його взаємодій з високочастотним полем, групування електронів та для відбору відпрацьованих електронів розділені та не залежать один від одного. Основним недоліком є великі розміри та маса, високі робочі напруги, складність механічної перебудови частоти, вузькополосність.

Частота та потужність. Пролітний клістрон має високі робочі частоти до 300ГГц. Типова вихідна потужність цих приладів в залежності від частоти знаходиться в межах десятків кВт.

ККД. Пролітні клістрони до 60-70%.

Габарити та маса. В залежності від конструкції та вихідної потужності довжина клістронів лежать в межах 5см...4,6м, а їх маса - 50г...1000кг.

Коефіцієнт підсилення.40-60 дБ.

Згідно з характеристиками за варіантом цей прилад нам підходить.

3. Лампа біжної хвилі О-типу. Швидкий розвиток та широке використання цих приладів в різній радіоелектронній апаратурі пояснюється тим, що вони володіють цілим рядом властивостей порівняно з іншими приладами НВЧ діапазону: високе значення коефіцієнта підсилення, широкополосність, можливість роботи в імпульсному та постійному режимах в широкому інтервалі вихідних потужностей, низький рівень власних шумів.

Частота та потужність. Лампа біжної хвилі працює в такому діапазоні частот ѓ=0,4...17ГГц. Потужність лампи біжної хвилі дорівнює 3Вт...10КВт. електронний прилад клістрон підсилювач

Коефіцієнт підсилення. Коефіцієнт підсилення змінюється в залежності від частоти та дорівнює К=5...35дБ.

ККД. Коефіцієнт корисної дії дорівнює ?=30%...40%.

Смуга пропуску. Широкосмугові ЛБХ мають смугу пропускання 1-2 октави. Вузькосмугові ЛБХ - 10% від середньої частоти.

Даний прилад нам не підходить, в зв'язку з тим що в нього мала вихідна потужність.

4. Лампа біжної хвилі М-типу.

Частота та потужність. ЛБХ-М типу працює в такому діапазоні частот ѓ=0,4...17ГГц. Потужність ЛБХ-М типу коливається в межах одиниць кВт.

Коефіцієнт підсилення. Коефіцієнт підсилення змінюється в залежності частоти, К=7...30дБ.

ККД. Коефіцієнт корисної дії дорівнює ?=30%...50%.

Даний прилад нам не підходить, тому що він має недостатню за варіантом вихідну потужність та коефіцієнт підсилення.

5. Лампа зворотної хвилі М-типу. Представляють собою генератори біжної хвилі , в яких електронний пучок взаємодіє з зворотньою хвилею сповільнючої системи. Перевагами цих приладів є наявність електронної перестройки частоти в широкому діапазоні, а також високі значення ККД, компактність, мала маса та здатність працювати в важких умовах експлуатації.

Частота та потужність. ЛЗХ-М працюють на частотах 0,5...17ГГц. В постійному режимі найбільша Р=750Вт на ѓ=1...10ГГц та біля 100Вт на ѓ=17,6ГГц.

ККД. Максимальне ККД цих приладів досягає 50% в дециметровому діапазоні частот, 45% на ѓ=3ГГц, біля 30% на ѓ=10ГГц та ~15% на самій крайній частоті 17,6ГГц.

Габарити та маса. Їх маса включаючи магнітну систему, складає 3...40кг.

Цей прилад нам не підходить тому що це генератор, а за варіантом нам потрібен підсилювач.

6. Лампа зворотної хвилі О-типу. В лампі зворотної хвилі електронний потік взаємодіє з однією зі зворотніх гармонік . Це досягається за рахунок конструкції сповільнюючої системи , яка виконується неоднорідною, тому електромагнітне поле можна розглядати як суму хвиль серед яких є і від'ємні гармоніки.

Частота та потужність. ЛЗХ-О працюють на частотах від 0,5 ГГц до 870 ГГц. Потужність до 0,5 Вт.

ККД. Максимальний коефіцієнт корисної дії не перевищує в ЛЗХ-О 3-10%.

Габарити та маса. Їх маса, складає 3...40кг.

Цей прилад нам не підходить тому що це генератор, а за варіантом нам потрібен підсилювач.

7. Магнетрони. Магнетрон -- потужний генератор високочастотних електромагнітних хвиль. Магнетрони використовуються як в радіолокації, так і в побутових приладах на зразок мікрохвильової печі.

Частота та потужність. В імпульсному режимі найбільша вихідна потужність досягає 10МВт на ѓ=0,5...2ГГц, 1МВт на ѓ=10ГГц та більш 200кВт на ѓ=30ГГц. Працює на частоті в межах 0,4...35ГГц. Промислові магнетрони працюють на частотах 0,915- 2,45 ГГц.

ККД. Найкращі значення ККД складають 80%...85% в дециметровому діапазоні, 80%на 3ГГц, 55% на частоті 10ГГц та 30% на частоті 35ГГц.

Габарити та маса. Магнетрони мають велику масу, яка досягає 100кг.

Цей прилад також нам не підходить тому що це генератор, а за варіантом нам потрібен підсилювач.

З електростатичним керуванням:

1. Тріод. Потужна електровакуумна лампа, що має три електроди: катод, сітку та анод. Самими розповсюдженими НВЧ приладами з сітковим управлінням є плоскі та коаксіальні металокерамічні тріоди, сучасний технічний рівень яких характеризується наступними даними:

Частота та потужність. Гранична робоча частота металокерамічних тріодів продовжує зміщуватися в короткохвильову частину сантиметрового діапазону хвиль. В даний час випускаються підсилюючі тріоди на частотах до 6ГГц та генераторні тріоди, працюючі на частотах до 16ГГц.

Максимальна імпульсна потужність металокерамічних тріодів 8...10кВт на частотах до 0,5ГГц, 6кВт на ѓ=1...3ГГц та 2кВт на ѓ~6ГГц.

ККД. Металокерамічні тріоди мають найбільший ККД на частотах менше 1ГГц. У кращих тріодів цей діапазон частот досягає 65...70%. По мірі збільшення робочої частоти тріодів їх ККД значно зменшується, досягаючи у найкращих приладів 25% на ѓ?6ГГц.

Підсилення та полоса пропуску. Тріоди забезпечують ефективне підсилення НВЧ коливань в постійному та імпульсному режимі. Коефіцієнт підсилення однокаскадного підсилювача на тріоді рівний звичайно 8,5...14дБ. Найбільше значення відноситься до підсилювачів, працюючих в діапазоні частот до 2...3ГГц.

Підсилювачі на тріодах при використанні високо добротних коливних системах, які володіють малою полосою пропускання, яка дорівнює для більшості підсилювачів 1...3% від номінальної частоти.

Габарити та маса. Габаритні розміри тріодів постійного режиму в сантиметровому діапазоні хвиль складають по довжині більше 30мм та по діаметру не більше 20мм. Потужні імпульсні тріоди мають трохи великі розміри: довжину до 100мм та діаметр до 50мм. Маса тріодів в залежності від рівня потужності та робочої частоти лежить в межах від декількох десятків кілограмів до 500г.

Даний прилад не підходить в зв'язку з тим що за нашим варіантом вихідна потужність та коефіцієнт підсилення не підходять.

2. Тетрод. Електровакуумна лампа, що має чотири електроди: катод, керуючу сітку, екрануючу сітку та анод. Більшість металокерамічних тетродів призначені для використання в метровому та дециметровому діапазоні хвиль. Вони широко використовуються телевізійній апаратурі, багатоканальних системах зв'язку та в радіолокаційних станціях.

Частота та потужність. Максимальна робоча частота тетродів в даний час не перевищує 1.3ГГц. А максимальна вихідна потужність на частотах, близьких до максимальної, 5,5кВт в постійному 1 МВт та імпульсному режимах.

ККД. В тетродів ККД достатньо великий та досягає 60%...75%.

Коефіцієнт підсилення. Коефіцієнт підсилення досягає до 8...10дБ.

Даний прилад нам не підходить через те що він працює на менших частотах чим нам потрібно,має меншу вихідну потужність та коефіцієнт підсилення.

Розглянувши ряд приладів та їх параметрів, можна зробити висновок, що згідно з варіантом, з даних приладів мені підходить пятирезонаторний клістрон неперервного режиму роботи.



2. Опис схеми прольотного клістрону та принцип його дії

Рисунок 2 - Схема п'ятирезонаторного пролітного клістрона

Пятирезонаторний клістрон зображений на рис. 1 . Для підвищення коефіцієнта підсилення клістронного підсилювача можна використати каскадне з'єднання декількох клістронів. Однак для отримання більш високого коефіцієнта корисної дії краще конструювати багаторезонаторні клістрони.

Рисунок 3 - Просторово-часова діаграма електронів в п'ятирезонаторному пролітному клістроні

В багато резонаторному клістроні проходить каскадне грування електронів в кожному резонаторі. Будемо думати, що всі резонатори налаштовані на одну частоту. В другому резонаторі групуються 1,2,3 електрони. В 3 резонаторі до них додається і четвертий електрон. Таким чином багато резонаторний клістрон працює як ідеальний суматор згустків електронів. Переходячи від резонатора до резонатора , електрони які вилетіли з катода, поступово групуються в дуже короткі згустки.

Крім того проміжкові резонатори виявляються ненапруженими. В зв'язку з чим мають високу добротність і вних наводиться напруга великої амплітуди.

3. Схема включення і розрахунок основних параметрів обраного електронного приладу

Варіант 3 - Розрахунок підсилювача на багато резонаторному прольотному клістроні

Параметри пролітного клістрону:

Кількість резонаторів: N=5.

Нижня частота: fн=2,99ГГц.

Верхня частота: fв=3ГГц.

Вихідна потужність: Pвих=150кВт.

Коефіцієнт підсилення за потужністю: KP=45дБ.

Вихідна потужність в клістроні: Pвих.к=500кВт.

Напруга що прискорює:U0к=63кВ.

Струм в ланцюзі електроду що прискорює:I0к=14A.

Повний ККД: з=56%. e=1,6*10Кл; m=9,11*10кг;

Для оцінки кількості резонаторів N по заданому значенню коефіцієнта підсилення багаторезонаторного клістрона Kp скористаємося емпіричною формулою:

(1)



В таблиці параметрів наведене максимальне значення напруги, якій відповідає максимальна вихідна потужність. Якщо ж згідно з технічним завданням необхідно отримати меншу вихідну потужність, то цього можна досягти за рахунок зменшення напруги U0. При відомому ККД приладу і заданій вихідній потужності Pвих можна визначити потужність, яку споживає клістрон:

(2)

На дільниці катод-анод (електрод, що прискорює) напруженість електричного поля постійна, постійний і струм що протікає на цій ділянці. Величина конвекційного струму чисельно дорівнює наведеному струму і визначається з виразу:

(3)

де - середня щільність заряду;

S - площа перетину електронного потоку.

У виразі (3.3) добуток

(4)

Тоді формула для розрахунку напруги, що прискорює U0, в залежності від заданої Р0 матиме вигляд:



(5)

За законом Ома одержуємо значення струму:

(7)

Через те, що згодом катод втрачає емісійну здатність необхідно передбачити можливість регулювання вихідної потужності. З цією метою в схему включений змінний резистор R1. Він повинний забезпечити регулювання потужності в межах 20% від заданої вихідної потужності.

Для вихідної потужності, взятої з запасом:

(8)

Тоді аналогічно знаходимо напругу та струм:

(9)

(10)

(11)

Схема включення багаторезонаторного клістрону зображена на рис.3.1. Вхідний сигнал підводиться до підсилювача по коаксіальній лінії до першого резонатора. Немодульований електронний потік, надходить в перший резонатор, між сітками якого є повздовжнє поле надвисокої частоти. Це поле проводить швидкісну модуляцію електронного потоку. Рухаючись далі в просторі дрейфу, електрони поступово утворюють згустки. Другий, третій і четвертий резонатори поліпшують угруповання електронів. Вихідний резонатор - п'ятий, з нього знімається вихідна потужність. Резистор R2 служить для обмеження струму I0 і для захисту джерела напруги, що прискорює.

Рисунок 3 - Схема підсилювача на п'ятирезонаторному пролітному клістроні

Для забезпечення регулювання вихідної потужності необхідно забезпечити зміну напруги, що прискорює, на величину ?U0:

(11)

Зважаючи на те, що на резисторі R1 падає напруга ?U0, а на виході підсилювача досягається потужність, через резистор тече струм . Тоді за законом Ома знаходимо опір R1:



(12)

Конкретне значення опору резистора вибирається з стандартногоряду номінальних значень опорів (E24): R1=1.1кОм.

Потужність, що розсіюється, на резисторі R1:

(13)

4. Рекомендації, що до використання розробленої схеми на практиці

Більшість пролітних клістронів є багаторезонаторними підсилювальними клістронами. Проміжні ОР, розташовані між вхідним і вихідним ОР, дають можливість розширити смугу пропускання частот, підвищити ККД та коефіцієнт підсилення. Підсилювальні клістрони випускаються для роботи у вузьких ділянках частот дециметрового і сантиметрового діапазонів хвиль з вихідною потужністю від декількох сотень Вт до 40 МВт в імпульсному і від декількох Вт до 1 МВт в безперервному режимі роботи. Коефіцієнт посилення клістрона зазвичай від 35 до 60 Дб, ККД від 40 до 60%, смуга пропускання менше 1% в безперервному режимі і до 10% в імпульсному режимі.

Основні галузі їх застосування: доплерівська радіолокація, зв'язок з штучними супутниками Землі, радіоастрономія, телебачення (клістрон безперервного режиму роботи) та лінійні прискорювачі елементарних частинок, кінцеві підсилювачі потужності радіолокаційних станцій далекого дії і високої роздільної здатності (клістрон імпульсного режиму роботи).

Невелику частину випускаються промисловістю пролітних клістронів складають генераторні клістрони безперервного режиму роботи. Зазвичай вони мають 2 ОР. Невелика частка потужності коливань НВЧ, створюваних у другому ОР, передається через щілину зв'язку в перший ОР для модуляції швидкостей електронів. Їхня вихідна потужність приблизно від 1 до10 Вт, ккд - менше 10%. Генераторні клістрони застосовуються головним чином в параметричних підсилювачах, радіомаяків сантиметрового і міліметрового діапазонівхвиль.

Размещено на Allbest.ru

...