Расчет и проектирование пролетного клистрона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ»

Кафедра ЭП

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По теме: «Расчет и проектирование пролетного клистрона»

Выполнил: Дудоров В.И.

Группы ОФ (заочное): 0062

Преподаватель: Беневоленский Д.М.

Санкт-Петербург, 2015



Содержание

1. Принцип действия и устройство пролетного клистрона

2. Расчетная часть

2.1 Расчет электрических параметров клистрона

2.1.1 Определение величины ускоряющего напряжения и тока

2.1.2 Определение радиуса пролетной трубы

2.1.3 Определение величины собственной частоты колебаний электронного потока

2.1.4 Определение параметра расталкивания и приведенного радиуса

2.1.5 Определение расстояния между центрами зазоров соседних резонаторов

2.1.6 Определение величины коэффициента взаимодействия электронного потока с резонатором

2.1.7 Проводимость электронного потока по постоянному току

2.1.8 Шунтирующая проводимость электронного потока

2.1.9 Шунтирующее сопротивление электронного потока

2.1.10 Определение общего числа резонаторов

2.2 Расчет геометрии тороидального резонатора

3. Чертеж тороидального резонатора

4. Сборочный чертеж клистрона (в разрезе)

5. Чертеж клистрона (вид сверху)

6. Чертеж механизма перестройки (в разрезе)

Литература



1. Принцип действия и устройство пролетного клистрона

резонатор пролетный клистрон электронный

Пролетные клистроны обладают высокими значениями КПД и коэффициента усиления, большим уровнем выходной мощности, стабильностью частоты и фазы усиливаемых колебаний.

В клистроне кроме катода, элементов электронной оптики, обеспечивающих фокусирование и поддержание электронного потока, и коллектора, воспринимающего электронный поток после его использования, важной частью являются объёмные резонаторы, поле которых необходимо для скоростной модуляции электронов и отбора энергии от сгруппированного электронного тока. Проще говоряв пролетном клистроне электронный пучок проходит сквозь электродинамическую систему в виде последовательности объёмных резонаторов, где в результате взаимодействия с СВЧ-полем часть энергии электронов передается полю, тем самым осуществляется усиление СВЧ-сигнала. Объёмные резонаторы соединяются пролетными трубами, в которых поток электронов перемещается от одного резонатора к другому.

Схематическое устройство клистрона показано на рис. 1.

Электронный поток, создаваемый электронной пушкой 1, ускоряется в пространстве «катод-анод» высоким положительным напряжением и далее движется по инерции от входного резонатора 9 до коллектора 4. Высокочастотные колебания во входном резонаторе создаются за счет мощности усиливаемого сигнала, поступающей в резонатор через вход энергии 8. Резонаторный блок состоит из объёмных резонаторов, резонансная частота которых может меняться с помощью механизмов перестройки 2. Взаимодействие электронов с высокочастотными полями происходит в зазорах 10. Между резонаторами электроны движутся в металлических трубах, так называемых пространствах дрейфа 7. Радиус трубы дрейфа должен быть таким, чтобы для рабочей длины волны труба являлась запредельным волноводом. Следовательно, в пространстве дрейфа отсутствует СВЧ - электрическое поле и на электроны действуют только электростатические силы расталкивания.

С помощью входного и промежуточных резонаторов однородный по плотности электронный пучок преобразуется в последовательность электронных уплотнений (сгустков), частота следования которых совпадает с частотой входного сигнала. Электронные сгустки возбуждают в выходном резонаторе 6 СВЧ - поле той же частоты, тормозятся этим полем и отлают ему свою энергию, которая выводится в нагрузку через вывод 5.

Отдав значительную часть энергии полю выходного резонатора, электроны попадают на коллектор 4, в котором остаток энергии превращается в тепло и рассеивается в окружающем пространстве, чему способствует наличие радиатора 3. Для лучшего отвода тепла может быть применено дополнительное принудительное воздушное или водяное охлаждение.

Для того чтобы электронный пучок мог пройти от катода до коллектора без заметного рассеивания на пролетных трубах, используется магнитные или электростатические фокусирующие системы. Чаще применяются магнитные фокусирующие поля, направленные вдоль оси потока и создаваемые либо соленоидом, либо с помощью постоянных магнитов.

При подаче СВЧ - мощности во входной резонатор на его зазоре возникает переменное продольное электрическое поле, изменяющее с частотой сигнала. Следующие друг за другом с постоянной скоростью электроны, пролетая через зазор в разные моменты времени (фазы поля), испытывают ускорение либо замедление. На выходе из зазора скорости электронов оказываются различными, причем различие в скоростях тем больше, чем больше амплитуда поля в зазоре. Этот процесс - скоростная модуляция электронного потока. При дальнейшем движении в пространстве дрейфа передние (замедленные) и задние (ускоренные) электроны приближаются к центральному (непромодулированному) электрону, пролетавшему через зазор в момент времени, когда напряжение на нем равно нулю. Таким образом, однородный по плотности электронный поток за счет скоростной модуляции в зазоре резонатора при дальнейшем движении оказывается промоделированным по плотности. В результате образуются электронные сгустки, следующие друг за другом с частотой сигнала. Процесс образования сгустков - группировка электронного потока. И еще, если бы не было сил кулоновского расталкивания, то все частицы двигалисьбы только по инерции и в какой-то плоскости сошлись бы вместе (кинематическое приближение). Однако за счет сил расталкивания группировка происходит медленнее, и, начиная с некоторого момента, сгустки могут начать расплываться. Благодаря образованию сгустков, в пучке появляется переменная составляющая конвекционного тока, которая обуславливает возникновение наведенного тока в промежуточных резонаторах. Поскольку их сопротивление достаточно велико, наведенный ток вызывает появление СВЧ - полей с амплитудами, существенно большими, чем во входном резонаторе. В результате происходит дополнительная модуляция и подгруппировка электронных уплотнений по мере их движения.



2. Расчетная часть

Дано:

Рвых=70 Вт

з=0,45

м=40*10і

л=8 см.=0,08 м.

По заданным значениям выходной мощности Рвых, КПД з, коэффициент усиления м и длина волны л рассчитаем основные параметры клистрона.

В начале расчета зададимся величинами микропервеанса, коэффициентом заполнения пролетной трубы электронным потоком, коэффициентом токопрохождения и приведённым радиусом пролетных труб.

Под первеансом пучка понимаем отношение p0= ,А/ ,

где - постоянная составляющая электронного тока в клистроне,

- ускоряющее напряжение.

Для проектирования клистронов обычно используется понятие микропервеансаp= , мкА/. Его величина определяется электронной пушкой и фокусирующей системой. В практике конструирования однолучевых клистронов значения микропервеанса лежат в пределах (0,25…4) мкА/.

За счет неидеальной фокусировки пучка часть электронов оседает на пролетных трубах. Расфокусировка потока характеризуется коэффициентом токопрохождения д=/. С ростом амплитуды напряжения на зазорах резонаторов усиливается расфокусирующее действие высокочастотного поля в бессеточных зазорах, особенно в предвыходном и выходном, что приводит к снижению коэффициента и уменьшению КПД. Значения д заключены в пределах д=0,8…0,95.

Коэффициент заполнения равен отношению радиуса пучка b к радиусу пролетной трубы aи, как правило, лежит в пределах b/a=0,5…0,9.

Приведенный радиус пролетной трубы =wa/определяется условием равномерности скоростной модуляции электронов по сечению пучка, поэтому 0,5??1.

Выбираем:

Микропервеанс - p=1,30мкА/

Коэффициент токопрохождения - д=0,95

Приведенный радиус пролетной трубы - =0,90 рад

Коэффициент заполнения - b/a=0,80

2.1 Расчет электрических параметров клистрона

2.1.1 Определение величины ускоряющего напряжения и тока

Так как выходная мощность нам дана и она равна:

Вт

Отсюда:



2.1.2 Определение радиуса пролетной трубы

Выбрав значение =0,9, найдем радиус пролетной трубы

, где

Здесь постоянные составляющие :

Заряд электрона e=1.60218

Масса электрона

Скорость света

Отсюда:

2.1.3 Определение величины собственной частоты колебаний электронного потока

. Величины и вычисляются по следующим формулам:

, где

,

,

где -функция Бесселя первого рода первого порядка.

Далее найдем собственную частоту колебаний электронного потока

2.1.4 Определение параметрарассталкивания и приведенного радиуса

;

2.1.5 Определение расстояния между центрами зазоров соседних резонаторов

2.1.6 Определение величины коэффициента взаимодействия электронного потока с резонатором

, где

- коэффициент, учитывающий ослабление поля в зазоре за счет отсутствия сеток.

Модифицированная функция Бесселя первого порядка (=БЕССЕЛЬ.I(……;1)- решается в программе EXCEL) =0.383837358=0.38

Модифицированная функция Бесселя нулевого порядка (=БЕССЕЛЬ.I(…..;0) решается в программе EXCEL) =1.21298513=1.21

, следовательно

2.1.7 Проводимость электронного потока по постоянному току

2.1.8 Шунтирующая проводимость электронного потока

=



2.1.9 Шунтирующее сопротивление электронного потока

Отсюда

2.1.10 Определение общего числа резонаторов

Число n следует дополнить до ближайшего целого числа.

Округляем число n , получаем 5

2.2 Расчет геометрии тороидального резонатора

Считаем, что резонаторы стоят вплотную кдруг другу, т.е. между резонаторами удвоенная толщина стенок, и используем тороидальные резонаторы с бессеточным зазором.

Толщина стенки пролетной трубы - ,

Толщина стенки резонатора -

- выбираем 0,1 см.

Из расчетов п.2.1 известны :

-Радиус пролетной трубы п.2.1.2

-Длина зазора п.2.1.6

-Расстояние между центрами резонаторов п.2.1.5

Для проектирования резонатора найдем :

-Длину резонатора h,

-Радиусы труб образующей резонатор линии

Этот резонатор можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из параллельно соединенных индуктивностей и ёмкостей . Так как у нас тороидальный резонатор можно привести следующие значения эквивалентных индуктивности (нГн) и ёмкости (пФ).

; (1)

; (2)

; (3)

; (4)

; (5)

. (6)

Подставляя (4) в (3), последнее вместе с (2) в (5) и (1) в (6) получим уравнение

, (7)

где

где - коэффициент, учитывающий вид зазора (при сеточном зазоре можно принимать ; при бессеточном зазоре следует брать ).

Вычисляя отдельно левую и правую части уравнения (7) как функции отношения и построив их графики, получим графическое решение уравнения в месте пересечения кривых.

При

и т.д.

Результаты представим в виде таблицы №1

Таблица №1

r2/r1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
ln(r2/r1)	0,693147	1,09861229	1,386294	1,609438	1,791759	1,94591	2,07944	2,19722	2,30258
B(r2/r1)	2,811138	2,71139098	2,577598	2,432753	2,290036	2,155538	2,031462	1,918124	1,814996

Из графика см., следовательно



В итоге получили необходимые данные для чертежа резонатора (таблица №2)

Таблица №2

Данные необходимые для чертежа резонатора, в мм.
h=	16,05
d=	0,74
2*r1=	3,85
2*r2 =	30,07
2*а=	1,85
?1=	1,00
?2=	1,00

Коэффициент . Определен из рисунка 2

Рис. 2

 

Литература

1. Д.М.Беневоленский, Г.П.Гоголев, С.М.Мовнин «Пролётный клистрон» : Учебное пособие / ЭТУ. С.-Пб., 1993.

2. Д.М.Беневоленский, С.М.Мовнин, А.К.Шануренко «Микроволновые приборы и устройства»: Методические указания для студентов заочной формы обучения /СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008.

3. Ю.А.Кацман «Приборы СВЧ» Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов / М.. Высш.шк., 1983.

Размещено на Allbest.ru

...