Устройства оптического диапазона и сверхчастотного излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство связи

ФГОБУ ВПО "Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики"

Уральский технический институт связи и информатики (филиал)

ПРИБОРЫ СВЧ И ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

Тема: Устройства оптического диапазона и сверхчастотного излучения

Екатеринбург

2015



Содержание

Задача 1

Задача 2

Задача 3

Задача 4

Задача 5

Задача 6

Задача 7

Задача 8

Задача 9

Задача 10

Задача 11

Задача 12

Литература



Задача 1

Произвести расчет:

1) Амплитудной характеристики Рвых (Рвх) пролетного двухрезонаторного клистрона, работающего в режиме усиления;

2) Зависимости коэффициента усиления прибора по мощности от уровня входного сигнала - Кр (Рвх);

3) Найти величину КПД прибора при оптимальном группировании.

Расчет выполняется при следующих значениях входной мощности:

Рвх = (10,50,100,200,400) мВт.

Результаты расчета представляются в виде таблицы, на оснований которой следует построить графики зависимости Рвых (Рвх), Кр (Рвх).

Данные для проведения расчетов для вариантов 0-9 показаны в таблице 1.

Параметры, указанные в таблице 1, имеют следующий физический смысл:

I0 - ток пучка;

Е0 - ускоряющее напряжение;

р1,р2 - характеристические сопротивления входного и выходного резонаторов;

Q1,Q2 - добротности входного и выходного резонаторов;

и1, и2 - углы пролета входного и выходного зазоров;

иs - угол пролета дрейфового пространства невозмущенным электроном.

Таблица 1.1. Данные для расчета амплитудной характеристики пролетного клистрона

№ Варианта	Q1	Q2	p1(Ом)	p2(Ом)	и1 градус	и2 градус	иs	E0 (В)	I0 (мА)
1	700	600	8	8	150	150	7р	250	40



Решение:

При решении задачи будем полагать что сетки, образующие зазоры, прозрачные для электронного потока, кулоновское взаимодействие в электронном пучке учитывать не будем.

Выполняя расчеты, учтем, что резонаторы прибора точно настроены на частоту входного сигнала, и учтем соотношения 1-6.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

где: , - резонансные сопротивления входного и выходного резонаторов;

- амплитуда напряжения на входном резонаторе;

- функция Бесселя 1-го порядка;

x - параметр группировки;

- амплитуда первой гармоники наведенного тока в выходном резонаторе,

, - коэффициенты взаимодействия электронного пучка с входным и выходным зазорами.

1. Рассчитаем коэффициенты взаимодействия электронного пучка с входным и выходным зазорами по формуле 6:



2. Рассчитаем резонансные сопротивления входного и выходного резонаторов по формуле:

и

3. Из формулы (1) выведем выражение для входного напряжения:

Подставляя заданные по условию значения, рассчитаем U₁ и результаты сведем в таблицу 2.

4. Рассчитаем параметр группировки (4) и результаты запишем в таблицу 2:

5. Рассчитаем амплитуду первой гармоники наведенного тока в выходном резонаторе по формуле 3. Данные запишем в таблицу 2.

6. Рассчитаем выходную мощность по формуле 2 и запишем в таблицу 2:

7. Рассчитаем коэффициент усиления прибора по формуле 5 и запишем в таблицу 2.

8. По результатам расчетов построим график зависимости коэффициента усиления прибора по мощности от уровня входного сигнала. График показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Амплитудная характеристика Рвых

Рисунок 2. Зависимость Кр от входного сигнала

9. Рассчитаем величину КПД прибора при оптимальном группировании [1] при х=1,84 по формуле:

(7)



Таблица 1.2. Результаты расчетов при различных значениях входной мощности

Рвх, Вт	0,01	0,05	0,1	0,2	0,4
U1, В	10,6	23,7	33,5	47,3	67
х	0,35	0,78	1,1	1,56	2,21
Iн1, А	0,17	0,36	0,47	0,56	0,55
Рвых, Вт	0,24	1,16	1,88	2,77	2,6
Кр	24	23,2	18,8	13,8	6,5

Задача 2

Определить коэффициент усиления по мощности Kp ЛБВ типа "0" на частотах f1, f2, f3 , приведенных в таблице 2, и по данным расчета построить зависимость Kp(f).

При выполнении расчетов полагать, что электронный пучок взаимодействует с основной пространственной гармоникой, имеющей фазовую скорость Vфо. Дисперсионная характеристика замедляющей структуры показана на рисунке 1.

Рисунок 2.1. Дисперсионная характеристика

Параметры, необходимые для расчета приведены в таблице № 2



Таблица 2 - Данные для расчета коэффициента усиления ЛБВ типа "0"

№варианта	f1(ГГц)	f2(ГГц)	f3(ГГц)	Lзс(см)	m	б (дБ)
1	6	7	8	12	0,02	4

Данные, приведенные в таблице выше, имеют следующий физический смысл: f- частота усиливаемого сигнала; Lзс- длина замедляющей структуры; m - безразмерный параметр усиления, учитывающий режим ЛБВ -"0" и характеристики замедляющей структуры; б- затухание в поглощающей вставке замедляющей структуры; с - скорость света в свободном пространстве.

Решение:

1) Определим отношение фазовой скорости к скорости света от частоты по рисунку 2.1.

Получили значения: для 6 ГГц 0,055, для 7 ГГц 0,054, для 8 ГГц 0,053.

2) Коэффициент усиления по мощности рассчитывается по формуле:

(2.1)

где m - параметр усиления;

б - затухание в поглощающей вставке, дБ;

3) Рассчитаем в по формуле

(2.2)

где л₀ - длина волны, м.

(2.3)

4) Рассчитаем длину волны при различных значениях частоты:

5) Рассчитаем в при различных значениях частоты:

6) Рассчитаем коэффициент усиления по мощности:

Задача 3

Рассчитать режим работы транзисторного автогенератора, развивающего в колебательной системе мощность Р1, при работе на частоте f. Определить элементы колебательной системы.

Данные для расчета показаны в таблице 3.

Таблица 3 - Данные для расчета транзисторного автогенератора

№ варианта	Тип схемы автогенератора	Р1, мВт	f , МГц
1	Емкостная трехточка ОК	5	75

Примечание:

ОК - общий коллектор;

Решение:

Транзистор можно полагать безынерционным прибором, когда граничная частота по крутизне - fs выше рабочей частоты автогенератора - f.

(1)

Частота fs с параметрами транзистора связана следующими соотношениями:

(2)

где f_t - частота единичного усиления, на которой ;

So-крутизна статической проходной характеристики транзистора;

r_б- сопротивление материала базы.

В свою очередь:

(3)

где: фк- постоянная времени цепи обратной связи транзистора;

Ск- емкость коллекторного перехода;

фк, Ск -указывают в справочнике. Для КТ306Б фк=30нс, Ск=5пФ.

Крутизна So равна:

(4)

где: во - коэффициент усиления тока базы на низкой частоте, во - указывается в справочнике, для КТ306Б равен 120;

цТ - температурный потенциал перехода;

цТ = , ;

Tk, tc - соответственно температуры по Кельвину и Цельсию;

Iко - постоянная составляющая тока коллектора.

Таблица 4 - Зависимость коэффициентов бn и гn от угла отсечки и

Угол отсечки и	cos и	гo(и)	г1(и)	бo(и)	б1(и)	б2(и)
10	0,985	0,0005	0,0010	0,036	0,073	0,073
20	0,940	0,0045	0,0088	0,074	0,146	0,141
30	0,866	0,015	0,029.	0,215	0,1980	0,172
40	0,766	0,034	0,066	0,147	0,280	0,241
50	0,643	0,055	0,121	0,183	0,339	0,267
60	0,500	0,109	0,196	0,218	0,391	0,276
70	0,342	0,166	0,288	0,253	0,436	0,267
80	0,174	0,236	0,390	0,286	0,472	0,245
90	0,000	0,319	0,500	0,319	0,500	0,212
100	-0,174	0,411	0,611	0,350	0,520	0,172
110	-0,342	0,509	0,713	0,379	0,513	0,131
120	-0,500	0,609	0,805	0,406	0,536	0,092
130	-0,643	0,708	0,878	0,431	0,534	0,058
140	-0,766	0,801	0,934	0,453	0,528	0,032
150	-0,866	0,881	0,970	0,472	0,520	0,014
160	-0,940	0,944	0,989	0,487	0,510	0,004
170	-0,985	0,985	0,997	0,496	0,502	0,001
180	-1,000	1,000	1,000	0,500	0,500	0,000

Автогенераторы стабильной частоты вырабатывают мощность.

Р1=(5-20) мВт, поэтому их выполняют на маломощных транзисторах СВЧ диапазона, для которых в справочниках указывают допустимую мощность тепловых потерь на коллекторе Рк доп.

При коэффициенте полезного действия автогенератора з= 0,2-0,4 Р1 и Рк доп связаны соотношением:

Рк доп = (2-5)Р1 (5)

По назначенному напряжению питания коллектора транзистора и Рк доп можно определить Iко доп , при котором не происходит перегрева транзистора.

(6)

где Екэ макс - предельно допустимое напряжение, приводимое в справочнике.

Следует отметить, что величина тока Iко в стационарном режиме должна быть порядка (3-5) мА, при котором имеет место малый уровень шумов автогенератора.

Таким образом, величину нужно выбирать согласно условию:

(7)

По величине Iко определяют So и fs (смотреть формулы (2), (4)) и, сравнивая f и fs, решают вопрос об использовании выбранного транзистора, чтобы он был безинерционным на частоте f.

Исходя из требований выбрали кремниевый транзистор КТ306Б.

Расчет автогенератора:

1. Зададим фактор генерации:

G = 3-5,

G = So*Rk*K

2. Найдем коэффициент разложения косинусоидального импульса г1(и) и по таблице 4 определяем б1, бо, Cos и.:

Получим б₁=0,436; б₀=0,253; б₂(и)=0,267; г₀(и)=0,166; cosи=0,342; и=70

3. Величина Iко была выбрана ранее. Определяем Iк1:

4. Напряжение на коллекторной нагрузке автогенератора:

5. Сопротивление коллекторной нагрузки:

6. Задаемся величиной о так, чтобы обеспечить недонапряженный режим автогенератора. о = 0,2-0,4. Найдем напряжение питания коллекторной цепи:

7. Определяем мощность, подводимую к автогенератору:

Ро = Ек ·Iко

8. Рассеиваемая на коллекторе мощность:

Рк = Ро-Р1

9. По известной величине фактора регенерации рассчитывается коэффициент обратной связи:

10 Напряжение обратной связи:

11 Входное сопротивление автогенератора:

12

Постоянная составляющая тока базы:

13 Смещение на базе в стационарном режиме:

Расчет элементов колебательного контура

Элементы колебательного контура автогенератора рассчитываются так, чтобы обеспечить найденное ранее сопротивление нагрузки автогенератора Rк и коэффициент обратной связи К при работе автогенератора на частоте f.

Наиболее часто транзисторные автогенераторы СВЧ выполняются по схеме емкостной трехточки, высокочастотный эквивалент, который показан на рисунке 2.

Полная электронная схема такого автогенератора с общим коллектором ОК приведена на рисунке 3.

Рисунок 2 - Высокочастотный эквивалент емкостной трехточки

Рисунок 3 - Полная электрическая схема автогенератора с ОК

1) Определим коэффициент включения колебательной системы в коллекторную цепь автогенератора схемы емкостной трехточки:

2) Определим волновое сопротивление колебательной системы -с:

где: Q - добротность, какую принимают равной

Q = 80-100, что гарантирует достаточно стабильную частоту автоколебаний.

3) Найдем величину L3:

4) Определим величину результирующей емкости колебательной системы - Со : световой источник усиление сигнал

Определим емкость С1:

Найдем емкость С2:

Расчет цепи смещения

Схема подачи смещения на базу транзистора показана на рисунке 3. Делитель на резисторах R1, R2 обеспечивает смещение ЕБН = (0,9 - 1) В для кремниевых транзисторов, при котором транзистор открыт, так как .

В стационарном режиме работы автогенератора устанавливается смещение EБ:

Учитывая эти соотношения, можно получить формулы для расчета R1 и R2:

Задача 4

На сетчатку глаза воздействует оптическое излучение. Найти мощность , необходимую для обеспечения светового потока в N лм, при длине волны . Для расчетов использовать данные, приведенные в таблице № 4.1



Таблица 4.1 - данные к задаче 4.1

Вариант	1
	2
, нм	580

Решение:

1) Интенсивность нервного раздражения, возникающего в нервных окончаниях сетчатки глаза под воздействием света, принято характеризовать функцией видности (рисунок 4.1)

Рисунок 4.1 - Экспериментальная зависимость относительной функции видности (для некоторых длин волн) для человеческого глаза

По таблице 4.2 определим функцию видности для длины волны 580 нм. Она составила 0,870.

Величину называют механическим эквивалентом света. При величина численно равна при

Относительная функция видности и информация о том, что при величина позволяют рассчитать необходимую мощность излучения , соответствующую световому потоку в 1 лм, для любой длины волны в диапазоне , по формуле:

. (4.1)

Рассчитаем мощность излучения при =2.

Таблица 4.2 - Числовая зависимость функции видности от длин волн

Задача 5

Постройте график зависимости от , изменяете от 1, с шагом 0,1 до 25.

Исходные данные возьмем из задачи 4.1.

Рассчитаем мощность излучения по формуле 4.1, подставляя в нее различные значения ДФ, и построим график.

По графику видно, что при увеличении светового потока, мощность излучения увеличивается.

Рисунок 4.2. График зависимости мощности излучения от светового потока.

Задача 6

Рассчитайте силу света, используя данные в таблице № 3

Таблица № 4.3 - данные к задаче 4.3

Вариант	1
, мм2	10
, мм	105

Решение:

Рассмотрим точечный источник света i, испускающий свет равномерно во все трехмерное пространство (рисунок 4.2). Выберем в указанном пространстве световой конус с углом в его вершине, совпадающий с источником света i. Пересечем световой конус сферической поверхностью S радиуса R. Конус "вырезает" на сферической поверхности площадку площадью

Рисунок 4.3. Определение телесного угла

Рассмотренный световой конус принято характеризовать величиной телесного угла

,

измеряется в ср (стерадиан).

1) Сила источника света рассчитывается по формуле I_c (кд):

, (4.2)

где ДЩ - телесный угол.

2) Телесный угол рассчитаем по формуле:

(4.3)

3) Рассчитаем силу источника света:

(4.4)



Задача 7

Построить график зависимости изменения силы света от радиуса R (менять от значения вашего варианта, с шагом 0,1 до Rх10).

Решение:

Построим график зависимости силы света от радиуса согласно формуле 4.4.

Рисунок 4.4. График зависимости силы света от радиуса.

Задача 8

Рассчитать освещенность поверхности, использую данные из предыдущих заданий.

Решение:

Освещенность поверхности Е (лк) рассчитывается по формуле:

(4.5)

Рассчитаем освещенность поверхности:

Задача 9

Построить график зависимости освещенности , от площади (падающего на поверхность излучения) . от значения в таблице № 3 с шагом 0,1 до 5х.

Построить график зависимости освещенности от углов падения света на поверхность для рассчитанного значения I и R. Угол менять от 0 до 180 градусов.

Построить график зависимости освещенности от радиуса (удаленности падения света) на поверхность для рассчитанного значения I и угла равного 90 градусам. R менять от значения в таблице № 4.3 с шагом 0,1 до 10xR. Сделать выводы.

Решение:

1) Построим график зависимости освещенности Е от площади излучения.

Рисунок 4.5. График зависимости освещенности Е от площади излучения.

2) Взаимосвязь освещенности поверхности с расстоянием R и углом падения света на поверхность, называется законом освещенности (рисунок 4.6):

(4.6)

Рисунок 4.6 - Определение освещенности

2) Построим график зависимости освещенности от углов падения света на поверхность для рассчитанного значения I и R. Угол будем менять от 0 до 180 градусов.

Рисунок 4.7. График зависимости освещенности от угла ц.

3) Построим график зависимости освещенности от радиуса (удаленности падения света) на поверхность для рассчитанного значения I и угла равного 90 градусам.

Рисунок 4.8. Зависимость освещенности от радиуса.

3) Выводы:

По графику освещенности видим, что при увеличении площади освещаемой поверхности, освещенность падает.

Задача 10

Рассчитать светимость излучающей поверхности, используя данные из предыдущих заданий.

Сделать выводы:

1) Как изменяется светимость источника при увеличивается площади излучаемой поверхности? Постройте график при фиксированном .

2) Как изменяется светимость источника при увеличении светового потока ? Постройте график при фиксированной площади излучаемой поверхности

Таблица № 4.4 - данные к расчету светимости излучающей поверхности

Вариант	1
	2
	0,02

Решение:

Рисунок 4.9. Определение светимости поверхности.

Светимость М (лм/м2) рассчитывается по формуле:

(4.7)

Рассчитаем светимость:

Построим график зависимости светимости от площади излучаемой поверхности.

Рисунок 4.10. Зависимость светимости от площади излучаемой поверхности.

По графику можно сделать вывод, что при увеличении площади поверхности, светимость уменьшается.

Рисунок 4.11. Зависимость светимости источника от мощности потока

По данному графику видно, что чем мощнее световой поток, тем выше светимость.

Задача 11

Рассчитайте яркость светящейся поверхности L (рисунок 4.12).

Если светящаяся поверхность площади излучает световой поток в телесный угол , ось симметрии которого составляет угол с нормалью N к излучающей поверхности, то

,

называется яркостью светящейся поверхности. Для своего варианта значений , постройте график зависимости от

(4.8)

Рисунок 4.12. Определение светимости поверхности.

Рисунок 4.13. График зависимости L от угла ?.

Рассчитаем яркость светящейся поверхности:

Закон Ламберта: в 1760 году немецкий ученым Ламбертом было показано, что, если площадь источника равномерно рассеивает свет по всем направлениям, яркость излучения не зависит от угла . Для ламбертовского источника

Вывод:

Видимость предмета человеческим глазом зависит от той части светового потока, которая, отражаясь от освещаемой поверхности, падает на сетчатку глаза.

Яркость поверхности в данном направлении - это отношение силы света, излучаемого поверхностью в этом же направлении, к проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярному данному направлению.

Яркость поверхности зависит от силы света, угла падения светового потока на плоскость, цвета поверхности.

Задача 12

Рассчитайте световую экспозицию источника. Данные для расчетов приведены в таблице 4.5

Таблица 4.5 - данные к расчетам экспозиции источника

Вариант	1
t	60

Решение:

Световая экспозиция - это произведение освещенности поверхности на время t, в течение которого производится облучение поверхности:

; (4.9)

Рассчитаем световую экспозицию:



Литература

1. Кущ Г.Г., Соколова Ж.М., Шангина Л.И. Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов. -- Томск: Томск. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2012 г. -- 414 с. -- Электронное издание. -- УМО. -- ISBN TUSUR021

2. Нефедов Е. И. Устройства СВЧ и антенны: учеб. пособие для вузов / Е. И. Нефедов. - М.: Академия, 2009.

3. Данилин А. А. Измерения в технике СВЧ: учеб. пособие для вузов / А. А. Данилин. - М. : Радиотехника, 2008.

4. Интернет-источник http://electricalschool.info/main/lighting/1154-svetotekhnicheskie-velichiny-svetovojj.html

Размещено на Allbest.ru

...