Проектування лампи зворотної хвилі малої потужності О - типу

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Харківський національний університет радіоелектроніки

 

 

Кафедра Фізичних основ  електронної техніки

 

 

 

 

Курсовий проект

 

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

тема: « Проектування лампи зворотної хвилі малої  потужності О - типу »

з дисципліни “Електронні  та квантові прилади НВЧ”

 

 

 

 

Керівник:                                                                                 проф. Васянович А. В.

(підпис,дата,посада,прізвище,ініціали)

Студент:                                                                               

(група,підпис,дата,прізвище,ініціали)

 

 

 

 

 

 

Харків 2012

Харківський національний університет радіоелектроніки

 

Кафедра                       Фізичних основ електронної техніки                               

Дисципліна                    Електронні та квантові прилади НВЧ                            

Напрям                                Оптотехніка                                                                 

Курс       3            Група         ОТ-10-1             Семестр            5       _                            

 

 

ЗАВДАННЯ

на курсовий проект

Студента:                                                                                 

(П.І.Б.)

1. Тема проекту проектування лампи зворотної хвилі малої потужності    О - типу.

2. Термін подачі студентом  завершеної роботи “21”    листопада    2012 р.

3. Вихідні дані до  роботи :

Задані параметри:	Значення:
Діапазон частот, ГГц	2 – 4,3
Максимальна напруга  на сповільнюючій системі, В	1400
Пусковий струм (не більше), мА	15
Максимальна вихідна  потужність, мВт	500
Фокусування	Магнітне
Сповільнююча система	Двозахідна спіраль
Вивід енергії	Коаксіальний

 

4. Зміст розрахунково-пояснювальної  записки розрахунок лампи зворотної хвилі О – типу; визначення геометричних розмірів сповільнюючої системи; розрахунок параметрів сповільнюючої системи та її характеристики (дисперсію і опір зв'язку); розрахунок пристрою виводу енергії.

5. Перелік графічного  матеріалу (з точки зазначенням  обов’язкових креслень) складальне креслення  лампи зворотної хвилі О – типу, ступінчатий коаксіальний трансформатор опору, електронна гармата.                                                                                                                                 

 

 

Дата видачі завдання “  13   ”       вересня       2012 р.

Керівник проекту      проф. Васянович А. В.                                                (П.І.Б.)

Завдання прийняла для  виконання                                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

 

 

Номер	Найменування етапів курсового проекту	Терміни виконання етапів проекту	Примітки
1	Отримання завдання на курсовий проект	13.09.2012
2	Огляд літературних джерел	20.09.2012
3	Постановка завдання	20.09.2012
4	Виконання розрахункового завдання	1.10.2012
5	Оформлення пояснювальної  записки та графічної частини  проекту	20.10.2012
6	Захист курсового проекту	21.11.2012

 

 

Студент _____________________

(підпис)

Керівник ____________________                                   проф. Васянович А. В.

(підпис)                                                      (П.І.Б)

 

 

 

“_____”______________________2012 р.

РЕФЕРАТ

 

 

Пояснювальна записка  до курсового проекту:   41 с.,   3  рис.,   2   додатки,   8    джерел.

Об’єкт дослідження  — лампа зворотної хвилі малої потужності О – типу.

Метою курсового проекту  є закріплення знань щодо основних фізичних процесів, які мають місце  в електронних приладах НВЧ з  довготривалою взаємодією, про їх будову, принцип  дії, основні параметри  та характеристики; набуття практичних навичок самостійного розрахунку реальних приладів та засвоєння методів їх проектування (в тому числі — автоматизованого).

Методи дослідження  — аналітичні та чисельні за допомогою  системи комп’ютерного моделювання.

Під час проектування лампи зворотної хвилі малої потужності О - типу визначені геометричні та електричні параметри основних вузлів приладу і його характеристики, величина магнітної індукції, необхідна для фокусування пучка; розраховані геометрія сповільнюючої системи та її характеристики (дисперсія та опір зв'язку); геометричні і робочі параметри виводу енергії.

 

 

ЛАМПА ЗВОРОТНОЇ ХВИЛІ, СПОВІЛЬНЮЮЧА СИСТЕМА, ВИВІД ЕНЕРГІЇ, КОЕФІЦІЄНТ СПОВІЛЬНЕННЯ, ДОВГОТРИВАЛА ВЗАЄМОДІЯ

 

 

 

 

 

 

ABSTRACT

 

 

Report on the course project: 41 pages, 3 figure,   2   applications, 8 sources.

The object of study - backward wave oscillator O - type.

The purpose of the work is to consolidate knowledge of basic physical processes  that take place in microwave electronic devices with long term interaction of their structure, principle of operation, main parameters and characteristics; practical skills of independent calculation of real instruments and learn their methods of design (including - automated).

The method of investigation - analytical and numerical with the help of computer simulation.

When designing a backward wave at low power was calculated the geometrical and electrical parameters of the basic units device and its characteristics, magnetic induction, necessary for beam focusing; calculated the geometry slowing down the system and its characteristics (dispersion and resistance connection) geometric and working parameters of output power.

 

 

BACKWARD WAVE, SLOWING SYSTEM, OUTPUT POWER, COEFFICIENT OF SLOWDOWN, LONG-TERM INTERACTION

 

 

 

 

 

 

 

ЗМІСТ

 

 

Вступ............................................................................................................................ 8

1. Особливості взаємодії  в лампі зворотної хвилі О  – типу …….…………….….9

1.1 Будова та принцип  дії лампи зворотної хвилі О – типу ………….…....9

1.2 Параметри та характеристики  лампи зворотної хвилі О –  типу ……..12

2. Чисельне дослідження лампи зворотної хвилі О – типу …………………..…15

2.1 Визначення параметрів  сповільнюючої системи...................................15

2.2 Моделювання розмірів балона лампи ....................................................21

2.3 Вирахування величини  індукції магнітного фокусуючого  поля..........21

2.4 Розрахунок ступінчатого коаксіального трансформатора………..…...22

Висновки…................................................................................................................28

Перелік посилань……...............................................................................................29

Додаток А……………………………………………………………………….......30

Додаток Б….………………………………………………………………………...38

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

 

На даний час розробка малопотужних ЛЗХ скоротилася у зв'язку з використанням напівпровідникових генераторів [1]. Однак, створення ЛЗХ з великою вихідною потужністю в нижній частині сантиметрового і міліметрового діапазону довжин хвиль триває. Основною перешкодою підвищенню потужності генерації є невисоке значення ККД в ЛЗХ.

Основними перевагами генераторних ЛЗХ є широкополосність; незалежність частоти, що генерується від зовнішнього навантаження і можливість плавного електронного налаштування в широкому діапазоні частот. Плавна перебудова в широкому інтервалі частот - від октави і більше - шляхом зміни прискорюючої напруги електронного пучка. З недоліків вони мають порівняно малий ККД і у багатьох випадках невелику вихідну потужність [1].

Лампа зворотної хвилі - одна із самих широкодіапазонних НВЧ-автогенераторів з електронною перебудовою частоти. Цим пояснюється багатоманітне застосування їх в радіотехнічній та вимірювальній апаратурі, в основному для генерації терагерцового випромінювання. Лампи зворотної хвилі застосовуються в якості гетеродивних приймачів, задаючих генераторів передавачів. Застосування ЛЗХ в якості гетеродинів спільно з ЛБХ, які використовують як підсилювачі високої частоти на вводі приймача, дозволяє створити конструкції приймачів з широким діапазоном швидкої електронної перебудови [1, 2].

Метою курсового проекту  є закріплення знань щодо основних фізичних процесів, які мають місце  в електронних приладах НВЧ з  довготривалою взаємодією, про їх будову, принцип  дії, основні параметри та характеристики; набуття практичних навичок самостійного розрахунку реальних приладів та засвоєння методів їх проектування (в тому числі — автоматизованого).

1 ОСОБЛИВОСТІ ВЗАЄМОДІІ В ЛАМПІ ЗВОРОТНОЇ ХВИЛІ О — ТИПУ

 

 

1. Будова та принцип дії лампи зворотної хвилі О – типу

 

Лампи зворотної хвилі (ЛЗХ) - генератор електромагнітних коливань НВЧ - діапазону, принцип дії  якого грунтується на перетворенні енергії електронних пучків в  енергію НВЧ - випромінювання в результаті тривалої синхронної взаємодії цих пучків із зворотними хвилями [2]. ЛЗХ у багатьох відношеннях аналогічна лампі біжучої хвилі (ЛБХ) - як по формуванню електронних пучків, так і по збіжності процесів їх самоузгодженої взаємодії з НВЧ - полями. Майже кожному варіанту ЛБХ можна поставити у відповідність аналогічний варіант ЛЗХ [1, 3].

Будова лампи зворотної  хвилі показано схематично на рис. 1.1:

Рисунок 1.1 - Схематичне зображення лампи зворотної хвилі

 

У  лампі зворотної хвилі використовується магнітне фокусування  електронного   потоку [3]. На відміну  від лампи  біжучої хвилі, він взаємодіє з однією із зворотних просторових гармонік біжучої хвилі, яка характеризується тим, що її фазова і групова швидкості мають протилежні напрямки.

Так як опір зв'язку просторових гармонік різко зменшується зі збільшенням номера гармоніки, то в ЛЗХ використовуються зазвичай такі сповільнюючі системи, в яких зворотна просторова гармоніка є основною гармонікою або мінус першою [1].

Електрони групуються в  згустки, які розташовані в області гальмуючого поля, і віддають при гальмуванні частину кінетичної енергії електромагнітної хвилі. При цьому енергія у сповільнюючій системі, у відповідності з напрямком групової швидкості, поширюється назустріч електронному потоку, тобто від колектора до гармати. Тому в ЛЗХ вивід енергії необхідно розташовувати біля електронної гармати. Поглинач в ЛЗХ необхідний для запобігання порушення на прямій гармоніці, а також для усунення впливу відбиття від навантаження. Якщо ЛЗХ на виході погано узгоджена з навантаженням, то відбита хвиля повертається в простір взаємодії і рухається до колектора взаємодії з електронним потоком, так як не виконується умова синхронізму. Потім вона відбивається від кінця сповільнюючої системи у колектора (якщо там немає поглинача) рухається до виходу ЛЗХ і взаємодіє з електронним потоком. На виході підсумовуються потужності основної хвилі і відбитої. Якщо фази цих хвиль збігаються, то вихідна потужність зростає, якщо протилежні - то зменшується. Тому через відсутність поглинача спостерігаються коливання вихідної потужності в робочому діапазоні частот [1, 2].

Поширення енергії в  напрямку, зворотному напрямку руху електронного потоку, створює внутрішній позитивний зворотний зв'язок між полем хвилі  і потоком електронів. Цей зв'язок розподілений у всьому просторі взаємодії. Частина енергії хвилі повертається електронному потоку, що сприяє подальшому групуванню потоку і виникненню автоколивального режиму.

Частоту коливань автоколивальної  системи із зовнішнім ланцюгом зворотного зв'язку зазвичай знаходять з умови балансу фаз, тобто з умови, що сумарний зсув фази в замкнутому контурі, що визначає підсилення і зворотний зв'язок, кратний 2π. Такий підхід не можливий в ЛЗХ з розподіленим зворотним зв'язком, так як в ньому багато петель цього зв'язку, і він здійснюється на будь-якому елементі довжини сповільнюючої системи. Тому фазову умову самозбудження коливань зв'яжемо з умовою найкращої передачі енергії від електронного потоку НВЧ поля. Ця умова полягає в тому, що створений згусток електронів не повинен виходити з гальмуючого поля електромагнітної хвилі. Іншими словами, необхідно, щоб відносний зсув фаз Δφ хвилі і згустку не перевищував π.