МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ _________________________________________________________

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТАГАНРОГСКИЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Кафедра радиотехнической электроники

Р Е Ф Е Р А  Т

По «История и методология современной электроники и наноэлектроники»

«Электровакуумные приборы миллиметрового и субмиллиметрового диапазона»

 
 
                                                Выполнил

                                                студент гр. МГЭ 41

                                                Смирнов И.Д.

 
                                                Проверил

                                                Осадчий Е.Н. 
 
 
 
 
 
 

Таганрог

2011 г.

Оглавление 
 

ВВЕДЕНИЕ 3

ЛАМПОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО И СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА 4

Лампы обратной волны (ЛОВ) типа О 4

Электронная перестройка частоты 7

Электронное смещение частоты 8

Выходная мощность 9

Клистроны 10

Пролетные клистроны 10

Многорезонаторный клистрон 12

Отражательный клистрон 13

Область применения 15

Оротрон 16

ВЫВОД 18

Список используемой литературы 19 

 

ВВЕДЕНИЕ

 
 

     Проблема генерирования колебаний радиоволн в миллиметровом и субмиллиметровом спектре длин волн одна из наиболее трудных в современной радиоэлектронике.

     В настоящее время уже разработаны  и продолжаются разрабатываться  маломощные генераторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, работающие в диапазоне частот 30 – 300 ГГц для первых, и 300 – 3000 ГГц  для вторых. Задача генерации мощных стабильных колебаний для генераторов  субмиллиметровых волн практически не решена. Большинство методов генерирования колебаний большой мощности в указанном диапазоне исследовано лишь теоретически, а их экспериментальная проверка проводилась на миллиметровых волнах, что затрудняет в ряде случаев окончательную оценку их перспективности.

      Следует отметить, что существующие генераторы субмиллиметровых волн, например ЛОВ, лазеры это источники монохроматических  колебаний. Проблемы генерации, связаны с проблемами стабилизации частоты. Из этого следует, что в данный момент лучше направлять внимание на изучения способов достижения стабилизации частоты волн.

      Цель  данной работы – рассмотреть теорию принципы работы электровакуумных устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн, так как на данный момент это наиболее распространенные приборы, используемые в этом спектре частот. Дадим общее представления об этих приборах, и не будем вдаваться в подробности и конструктивные особенности моделей приборов для конкретных целей.

 

ЛАМПОВЫЕ  ГЕНЕРАТОРЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО И СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО  ДИАПАЗОНА

 
 

     Задача  создания генераторов субмиллиметровых волн решалась путем моделирования  электровакуумных приборов СВЧ диапазона. Успехи, достигнутые при моделировании  СВЧ приборов, в значительной степени  определялись улучшением технологии изготовления электронных пушек и замедляющих  структур (ЗС).

     Естественно, по мере увеличения частоты возникают  специфические трудности, ограничивающие генерируемые мощности и типы моделируемых приборов. В настоящее время из широко распространенных приборов СВЧ  субмиллиметровые волны генерируют только лампы обратной волны типа О и клистроны.

Лампы обратной волны (ЛОВ) типа О

 

     Лампа обратной волны – электровакуумный прибор, предназначенный для генерации  СВЧ волн, принцип действия которого основан на преобразовании энергии  электронных пучков в энергию  СВЧ излучения, путем их длительного  синхронного взаимодействия с электромагнитными  волнами в замедляющей системе  в обратном направлении движения электронов. В лампе обратной волны О типа происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем.

     Электронная пушка создаёт пучок электронов, движущийся к коллектору. Заданное сечение пучка сохраняется постоянным при помощи фокусирующей системы. Предположим, что со стороны коллектора в замедляющую систему ЛОВ введён СВЧ сигнал, то есть вдоль замедляющей системы справа налево двигается волна с групповой скоростью v_гр.

     Если  бы замедляющая система была однородной, и поле её бы не содержало пространственных гармоник, то фазовая скорость волны  была бы направлена так же, как и  групповая, то есть навстречу движению электронов. Эффективное взаимодействие между СВЧ-волной и пучком электронов должно было бы отсутствовать.

     Однако  если замедляющая система имеет  периодическую структуру, то имеющееся  в ней поле можно рассматривать  как сумму бесконечного множества  гармоник. Фазовые скорости этих гармоник могут быть направлены как в сторону  движения энергии (прямые волны), так  и в противоположную сторону (обратные волны). Можно подобрать ускоряющее напряжение (U₀) для пучка электронов так, чтобы обеспечить синхронизм между электронами и одной из замедленных обратных волн (V_e ≅ V_ф). где 

 

     Тогда электроны, поочерёдно проходя мимо неоднородностей, встречают одну и  ту же фазу высокочастотного продольного поля, что приводит к тому, что часть кинетической энергии пучка передаётся СВЧ-полю. При этом электронный поток приобретает модуляцию по скорости, что приводит к модуляции плотности электронного потока (быстрые электроны догоняют медленные). Этот модулированный поток, двигаясь по направлению к коллектору, наводит на замедляющей системе высокочастотный ток. Но энергия волны, с которой взаимодействуют электроны, двигается навстречу электронному потоку. В результате на выходе лампы около электронной пушки создаётся поле, превышающее первоначальный сигнал. Лампа приобретает свойства автогенератора.

     Таким образом, электронный пучок играет в ЛОВ двойную роль — как  источник энергии и как звено, по которому осуществляется положительная  обратная связь. Эта связь присуща  самому принципу ЛОВ и принципиально  неустранима, в отличие от других генераторов СВЧ.

     При изменении частоты ЛОВ СВЧ-волна  может отражаться от нагрузки и поступать  обратно в замедляющую систему. Эта отраженная волна может взаимодействовать  с электронным потоком, что будет  приводить к изменению выходной мощности. Для устранения этих эффектов на конце замедляющей системы, обращенном к коллектору включают самосогласованную нагрузку (поглотитель).  

Рис 1.1 Диаграмма  группирования электронного пучка, повоздействием переменного электромагнитного  поля 

     Далее рассмотрим саму конструкцию лампы  обратной волны

Рис.1.2 Схематическое устройство ЛОВ:

1 –  оксидный катод(источник электронов); 2 –  подогреватель катода; при подаче на подогреватель напряжения накала катод нагревается и из его оксидного слоя вылетают электроны; 3 – первый анод (А₁), изменяя напряжение на котором, мы  регулируем ток лампы ; 4 – второй анод (А₂), на который подаётся высокое ускоряющее напряжение (U₀); изменяя его, мы меняем скорость электронов; 5 – втулка арматуры длинной λ₀/4. Вместе со вторым анодом, длина которого то же λ₀/4, она образует СВЧ - дроссель, цель которого препятствовать утечке СВЧ - мощности, выходящей через волновод. Второй анод и втулка арматуры образу ют длинную коаксиальную линию(l= λ₀/4). Второй анод является внутренним проводником коаксиальной линии, а втулка – наружным проводником. Коаксиальная линия разомкнута на конце (R = ∞), а через λ₀/4 её сопротивление становится равным 0, что является закороткой по СВЧ , и волна не идет в пушку и в зазор между втулкой и стеклом баллона, а выходит через волновод к нагрузке; 6 –  замедляющая система, которая в ЛОВ может быть только неоднородной. Это может быть щелевая ЗС, но чаще – двух заходная проволочная или ленточная спираль. Такие  замедляющие   системы возбуждаются на колебаниях противофазного вида, и в них возникают пространственные гармоники. В двухзаходной спирали для получения фазового сдвига длина одного из проводников спирали в области электронной пушки увеличена на λ₀/2. При таком возбуждении нулевая гармоника(k = 0) в ЗС отсутствует и наибольшую ам-плитуду имеет обратная пространственная гармоника(k = –1); 7 – коллектор для сбора отработанных электронов; 8 – поглотитель отражённых от нагрузки волн; 9 –фокусирующая систем а; 10 – вывод энергии.[1] 

Электронная перестройка частоты 

     Электронная перестройка частоты – это  изменение частоты колебаний, генерируемых ЛОВ, при изменении величины  ускоряющего  напряжения и постоянном токе пучка. График изменения частоты от ускоряющего напряжения показан на рис. 1.3. 

Рис.1.3 График изменения частоты от ускоряющего напряжения.  

С ростом ускоряющего напряжения частота, генерируемая ЛОВ, растёт.

Поскольку  лампа   обладает  аномальной  дисперси ей  ( анома л ьная 

дисперси  я  – это  когда  с   возрастание  м  f  у величи вается   υ 

Электронное смещение частоты 

     Электронное смещениеч астоты  – это изменение частоты генериру емых колебаний при изменении тока пучка и постоянном ускоряющем напряжении на втором аноде. График изменения частоты от тока пучка показан на рис. 1.4 

Рис 1.4. График изменения частоты от тока пучка. 

     При возрастании  тока пучка увеличивается количество электронов, испускаемых катодом, а  при постоянном ускоряющем напряжении вокруг катода образуется объёмный пространственный заряд и влетающие в пространство взаимодействия электроны подтормаживаются пространственным зарядом. Средняя скорость электронов пучка понижается, и их  взаимодействие выполняется для меньших по величине фазовых скоростей волн, которым в замедляющей системе с аномальной дисперсией соответствуют более низкие частоты. 

Выходная  мощность 

     Выходная  мощность колебаний ЛОВ приблизительно пропорциональна величине напряжения на замедляющей системе и разности между рабочим и пусковым значениями тока электронного пучка:  

     

 

     Где k — коэффициент пропорциональности, I — ток электронного луча, I₀ — пусковой ток — минимальное значение тока при электронного луча, при котором возникает генерация. 

Рис 1.5 Зависимость мощности ЛОВ от напряжения на замедляющей системе