Контрольная работа по "Электронные приборы и устройства"

Министерство образования  Республики Беларусь

 

БГУИР

Факультет заочного обучения

Кафедра сетей и устройств  телекоммуникаций

 

 

 

Контрольная работа № 3

по дисциплине: «Электронные приборы и устройства

Шифр студента  102901-04

 

 

 

Выполнил студент гр. 102901 Специальности СРРиТ Бовбель И.С.		Проверил: __________________ Оценка: ____________________ ___________________________ (подпись) ________________________(дата)
Почтовый  адрес: г. Минск, ул. Якубова, д. 66, корпус 2, кв. 163. т.  (8-017) 220-95-42

2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение ………………………………………………………………….. 3

 

1. Замедляющие  системы. Назначение, принцип действия, характеристики, параметры ……………………………………………….… 5

 

2. Движения электронов  в скрещенных однородных   электрическом и магнитном полях. Особенности взаимодействия электронов с неоднородным СВЧ-полем в приборах типа «М» ……….. 12

 

3. Умножительные  диоды, диоды с накоплением  заряда (ДНЗ) .... 25

 

4. Устройство и  принцип работы генератора на  аммиаке, 

основные характеристики и параметры ………………………...…. 29

 

Список  рекомендуемой литературы ………………………………… 33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Работа СВЧ - генераторов  или усилителей заключается в  преобразовании энергии источников постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний. Приборы СВЧ диапазона  подразделяются на электровакуумные,  электронно-плазменные, квантовые, полупроводниковые  и плазменные, которые в свою очередь  также подразделяются на подклассы. Класс электровакуумных приборов включает приборы, преобразующие кинетическую энергию свободных электронов, ускоренных в вакууме, в энергию СВЧ колебаний. Этот класс приборов, получивших наибольшее распространение, делится на три основных подкласса - приборы с электростатическим управлением электронным потоком (триоды, тетроды); приборы с динамическим управлением электронным потоком, основанном на принципе скоростной модуляции, это приборы “О - типа” и, наконец, - приборы “М-типа”.  Приборы “О-типа” имеют прямолинейную геометрию электронного потока в продольном внешнем магнитном поле (клистроны, лампы бегущей и обратной волны, соответственно - ЛБВ, ЛОВ). В приборах  “М-типа” модулированные электронные потоки формируются в результате дрейфового движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях (магнетроны, платинотроны, ЛБВ-М, ЛОВ-М). К приборам вакуумной электроники относится также подкласс релятивистских приборов “О” и “М” типов, в которых используются сильноточные электронные потоки больших энергий, когда релятивистский g-фактор заметно отличается от 1 (релятивистские ЛОВ, магнетроны, а также гиротроны). Релятивистские приборы, являющиеся мощнейшими импульсными источниками СВЧ полей, тем не менее, могут иметь ограничения по току из-за тормозящего электроны отрицательного потенциала, возникающего в пучке из-за высокой плотности электронного объемного заряда. Для снятия токового ограничения в приборах плазменной СВЧ электроники используется компенсация объемного заряда электронов пучка  ионами плазмы, создаваемой специальными плазменными источниками. К квантовым приборам СВЧ относятся атомные и молекулярные генераторы, квантовые парамагнитные усилители, объединяемые термином “мазеры”. Класс полупроводниковых приборов СВЧ  включает подклассы СВЧ транзисторов, диодов с отрицательным сопротивлением: лавинопролетных (ЛПД) и туннельных диодов, диодов Ганна. Представителями класса плазменных СВЧ приборов можно считать газоразрядные генераторы шума.

В приборах М типа используется движения электронов в скрещенных электрическом  и магнитном  полях. Рассмотрим, для  начала, основные закономерности движения заряженных частиц в таких полях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ЗАМЕДЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ. НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПАРАМЕТРЫ

 

Наибольшее распространение  в технике СВЧ получили замедляющие системы, представляющие собой линии передачи с периодически повторяющимися неоднородностями. Некоторые из них представлены на рис. 1, где 1 — спираль, 2 — гребенка, 3 —встречные штыри, 4 — сдвоенный меандр на диэлектрической подложке, 5 — диафрагмированный волновод,     6 —диафрагмированный волновод с индуктивными щелями связи, 7 — “лист клевера”, 8 — меандр на диэлектрической подложке.

Широко используется замедляющая  система в виде цилиндрической спирали. Эта замедляющая система была использована Р. Компфнером в 1944 г. в  первой ЛБВ, и сейчас большинство  серийно выпускаемых ЛБВ тоже использует спиральную замедляющую  систему, что объясняется многими  ее достоинствами. Ни, одна из известных  замедляющих систем не может конкурировать, со спиралью в отношении широкополосности. При упрощенном рассмотрении процессов  в такой системе можно предполагать, что волна Т распространяется со скоростью света с вдоль спирального проводника. Пусть D будет средний диаметр спирали, a L – ее шаг. Тогда время, за которое волна обегает один виток,

Если шаг спирали много  меньше диаметра, т. е. L<<πD, имеен t<<πD/c. Волна за то же время проходит вдоль оси спирали путь, равный L. Следовательно, фазовая скорость волны v_e вдоль оси спирали равна L/t или v_ф=cL/πD.

Обычно замедляющую систему  характеризуют коэффициентом замедления К_зам, равным отношению скорости света к фазовой скорости замедленной электромагнитной волны.

Рис. 1

 

Тогда K_зам=c/v_ф=πD/L

Коэффициент замедления тем  больше, чем больше отношение длины  витка к шагу спирали. Изменяя  диаметр спирали D и ее шаг L, можно в широких пределах изменять коэффициент замедления.

Более точный анализ распространения  электромагнитных волн вдоль спирали  показывает, что спираль обладает дисперсией, т. е. фазовая скорость волны  в спирали зависит от частоты. Но на достаточно высоких частотах дает хорошее приближение.

Рассмотрим некоторые  общие закономерности распространения  электромагнитных волн в замедляющих  системах. Замедляющие системы представляют собой периодические структуры, имеющие свойства полосовых фильтров с бесконечным числом полос пропускания. В приборах используется чаще всего  полоса, пропускающая самые низкие частоты, она называется основной. Остальные  полосы называются высшими.

Поле в периодической  структуре удовлетворяет теореме  Флоке, которая утверждает, что среди  решений уравнений Максвелла, удовлетворяющих  граничным условиям, всегда найдется такое решение, при котором поля в соседних ячейках отличаются лишь постоянным множителем p=e^-r, т. е. E(z+L)=e^-r Е(г). В полосе пропускания для систем без потерь величинаГ=iψ – мнимая. Это означает, что поле в соседних ячейках отличается лишь сдвигом по фазе на угол ψ. Введем обозначение ψ=β₀L (β₀—постоянная распространения волны) и умножив обе части равенства на ехр^iβo(L+z), при этом заметим, что функция E₀(z)=E(z)ехр^iβoz=E(z)ехр^iβo(z+L)— периодическая, а ее период совпадает с периодом структуры L. Отсюда следует, что поле в системе E(z) можно представить в виде произведения двух периодических функций: E₀(z) и ехр^iβoz. Учитывая и временной множитель ехр^iωt, можно записать

E(z,t)=E₀(z)e^i(ωt-βoz) 

Функция E₀(z) — периодическая, L — ее период. Разложение E₀(z) в ряд Фурье дает

где

Подставляя (4.4) в (4.3), получим

Распределение поля в системе  представлено в виде суммы бесконечного числа бегущих волн с амплитудами a_m(x,у) и постоянными распространения

Эти волны называются пространственными  гармониками. Их совокупность удовлетворяет  периодическим граничным условиям. Решение в виде одной пространственной гармоники не может удовлетворить граничным условиям. Все гармоники изменяются с одной и той же частотой. Каждой пространственной гармонике соответствует своя фазовая скорость, которая определяется соотношением

Групповая скорость всех пространственных гармоник одинакова:

Зависимость фазовой скорости (или коэффициента замедления) от частоты  в свободном пространстве называется дисперсией замедляющей системы, а  графики этих зависимостей — дисперсионными характеристиками или кривыми дисперсии. Каждой пространственной гармонике  соответствует определенная ветвь  дисперсионной характеристики.

Рис. 2

 

Волна (или пространств  венная гармоника), у которой направления  групповой и фазовой скоростей  одинаковые, называется прямой волной, волна с противоположными направлениями  скоростей — обратной волной.

В зависимости от знака  производной d|v_фm|/dω дисперсия может быть нормальной(d|v_фm|/dω<0) и аномальной (d|v_фm|/dω >0). При увеличении частоты нормальная дисперсия характеризуется уменьшением абсолютного значения фазовой скорости, а аномальная — ростом. Для всех обратных гармоник дисперсия аномальная, прямые гармоники могут иметь как нормальную, так и аномальную дисперсию.

На рис 2 показана дисперсионная характеристика замедляющей системы. По оси абсцисс отложен фазовый сдвиг на один период замедляющей системы β_mL, определяемый, а по оси ординат—частота ω. Сплошные кривые относятся к гармоникам т=0, ±1, ±2. Нулевая гармоника (m=0) соответствует изменению угла от 0 до π. Эти пределы в соответствии с теорией фильтров определяют полосу пропускания, заключенную между ω₀ и ω_π. Сдвиг фазы для гармоники m=+1 по определению (4.6) на 2π больше, чем при т=0, поэтому кривая длят=+1 существует в пределах (2 3)π.Соответственно смещаются на 2π вправо кривые при каждом увеличении на единицу номера т. Переход от т=0 к т=-1 эквивалентен смещению кривой в область фазы от -π до -2π и т. д. Полоса пропускания для всех пространственных гармоник одинакова и равна полосе пропускания замедляющей системы.

Фазовая скорость гармоники  с учетом пропорциональна тангенсу угла наклона у прямой, проведенной  через начало координат и точку  дисперсионной кривой для выбранной  частоты <0. Групповая скорость гармоники  пропорциональна производной в  данной точке, т. е. tg a. Очевидно, что  на границах полосы пропускания групповая  скорость гармоник равна нулю (экстремальные  точки кривых). Групповая скорость всех пространственных гармоник при данной частоте ω одинакова и положительна. Для варианта замедляющей системы, дисперсионная характеристика которой приведена на рис. 2, наибольшая фазовая скорость у нулевой гармоники. С увеличением положительного номера т фазовая скорость уменьшается, фазовые скорости гармоник m= -1, -2 отрицательны (противоположны направлению групповой скорости) и также уменьшаются с ростом номера. В рассматриваемом случае гармоники m=0, +1, +2 — прямые, а m= -1, -2 — обратные.

Используя дисперсионные  кривые, можно выяснить зависимость  фазовой скорости любой пространственной гармоники от частоты. В нашем  примере прямая нулевая гармоника  имеет нормальную дисперсию (фазовая  скорость уменьшается с ростом частоты). Обратные гармоники (т= -1, -2) обладают аномальной дисперсией. Легко убедиться, что для прямой гармоники т=+2 вблизи границ пропускания дисперсия нормальная, а в остальной области аномальная.

Важной характеристикой  замедляющей системы является сопротивление  связи, которое характеризует эффективность  взаимодействия электронного потока с  полем в замедляющей системе. По определению сопротивление связи

Чем больше продольная составляющая напряженности электрического поля Е_zm в месте прохождения электронного пучка при данном потоке мощности Р в системе, тем больше сопротивление связи.

Если выразить поток мощности через запасенную энергию W на единицу длины системы и групповую скорость (P=v_гW), то сопротивление связи

Так как групповая скорость входит в выражение для сопротивления  связи, то R_св тем больше, чем меньше крутизна tg a дисперсионной характеристики (см. рис. 2).

Изменяя скорость электронов v_e регулировкой ускоряющего напряжения, можно выполнить условия синхронизма для любой пространственной гармоники. Так как фазовая скорость нулевое пространственной гармоники наибольшая, то для взаимодействия с ней необходима наибольшая скорость электронов, что требует высокого ускоряющего напряжения. Для взаимодействия электронного потока с высшими гармониками замедляющей систем скорость электронов должна быть меньше и соответственно меньше будут ускоряющие напряжения. Однако взаимодействие с высшими пространственными гармониками для систем 1, 2, 6 рис. 1 получается неэффективным, поскольку они имеют малое сопротивление связи. Поэтому в приборах СВЧ используются в основном нулевая и плюс первая или минус первая гармоника. Прямые пространственные гармоники используются в ЛБВ, а обратные — в ЛОВ. Дисперсионная характеристика замедляющей системы определяют ширину полосы частот усилителя и диапазон электронной перестройки генератора.

Строгий метод расчета  замедляющих систем основывается на решении уравнений Максвелла  с учетом конкретных граничных условий. Однако сложность конфигурации большинства  замедляющих систем затрудняет решение  этой задачи. Часто применяются различные  приближенные методы, среди которых  широко распространен метод эквивалентных  схем. Замедляющая система представляется эквивалентной схемой в виде цепочки  ячеек фильтра с сосредоточенными постоянными. Этот метод позволяет  оценить ширину полосы пропускания, а также качественно определить влияние отдельных элементов  замедляющей системы на характеристики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В СКРЕЩЕННЫХ ОДНОРОДНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ. ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОНОВ                                      С НЕОДНОРОДНЫМ СВЧ-ПОЛЕМ В ПРИБОРАХ ТИПА «М»

Под скрещенными полями будем  понимать наложенные друг на друга  электрические и магнитные поля, перпендикулярные друг другу во всех точках континуального пространства.

К первому типу скрещенных полей отнесём случай, когда оба  поля однородны и их векторы взаимно  перпендикулярны.

Второй тип скрещенных полей состоит из однородного  магнитного поля и электрического поля, обладающего осевой симметрией. Такое  электрическое поле образуется в  зазоре между коаксиальными цилиндрами.