Лампа бегущей волны
Задача 1
Домашнее задание на тему «ЛБВ типа О»
В ЛБВ в результате взаимодействия электронов с
электромагнитной волной происходит максимально возможный отбор энергии у
электронов - оптимальный вариант электрообмена.
Требуется:
Для заданных f
(рабочая частота), l (длина
замедляющей системы) и дисперсионной характеристики
определить:
1) оптимальное ускоряющее
) максимально возможный
электронный КПД;
) как изменится если одну
из заданных величин увеличить в 1,5 раза?
Исходные данные:
f = 9 ГГц;
l = 35 см;
l2 = 1,5l1
Решение:
Рисунок 1.1 - График дисперсионной
характеристики
По графику (рисунок 1.1) определяем коэффициент
замедления:
K = 0,11.
Скорость света м/с.
Определим фазовую скорость
электромагнитной волны:
м/с.
Скорость электронов определяется
ускоряющим напряжением:
где Кл - заряд электрона;
кг - масса электрона.
Максимально возможный отбор энергии
у электронов - это оптимальный вариант энергообмена.
Для эффективного взаимодействия
электронов с бегущей волной нужно, чтобы скорость электрона Ve была
приближенно равна фазовой скорости электромагнитной волны VФ в
направлении движения электронной. Это называется условием фазового синхронизма
и записывается следующим образом:
Таким образом, получаем:
кВ.
КПД ЛБВ определяется как:
Время, за которое волна проходит
замедляющую систему, определяется формулой:
с.
При увеличении длины замедляющей
системы необходимо чтобы режим оставался оптимальным, т.е. фазовая скорость
волны являлась оптимальной:
м/с.
кВ.
Задача 2
Выбор диодов СВЧ для конкретного
применения
Выполнить:
) Указать выбранные типы, обеспечивающие
лучшее качество работы и указать страницы справочника.
) Указать функциональное назначение
выбранных типов диодов.
) Привести параметры:
характеризующие качество работы;
номинальные электрические;
предельные эксплуатационные данные;
параметры эквивалентной схемы;
) Привести вид и размеры корпуса.
Исходные данные:
Диоды - Смесительный
Переключательный
Генераторный
Линии - МПЛ
Диапазон частот - 10-12 ГГц.
Решение:
Длина волны, соответствующая
диапазону частот 10-12 ГГц, составляет 3 см.
Смесительный диод - 2А109А
. Тип - кремниевый, точечный,
смесительный.
Страницы справочника [2] - 237-238.
. Назначение - предназначен для
применения в преобразователях частоты на длине волны 3 см.
. Параметры
Таблица 2.1 - Электрические
параметры диода 2А109А
Потери
преобразования при Рпд = 1 мВт и rпосл = 350
Ом, не более: при Т=+25 оС при Т=-60 оС … +12 оС
|
6,5 дБ 8 дБ
|
Выпрямительный
ток при Рпд = 1 мВт и rпосл = 100 Ом, не более:
|
0,9
мА
|
Нормированный
коэффициент шума при Fупч = 1,5 дБ, не более:
|
Коэффициент
стоячей волны по напряжению при Рпд = 1 мВт и rпосл = 100
Ом, не более:
|
1,6
|
Выходное
сопротивление при Рпд = 1 мВт и rпосл = 100
Ом
|
220…380
Ом
|
Таблица 2.2 - Предельный эксплуатационные данные
диода 2А109А
Рассеиваемая
мощность: при Т=+125 оС при Т=-60 оС … +85 оС
|
10
мВт 20 мВт
|
Рассеиваемая
мощность при кратковременном воздействии (не более 1 ч) при Т=-60 оС … +85 оС
|
100
мВт
|
Импульсная рассеиваемая мощность при
0,5…1 мкс и
1000 кГц300 мВт
|
|
Импульсная рассеиваемая мощность при
кратковременном воздействии (не более 5 мин) при 0,5…1 мкс и
1000 кГц500 мВт
|
|
Энергия
СВЧ импульсов
|
0,3*10-7
Дж
|
Мощность
плоской части импульса, просачивающегося через разрядник
|
100
мВт
|
Температура
окружающей среды
|
-60
оС … +125 оС
|
. Корпус
Выпускает в металлостеклянном корпусе. Тип диода
приводится на этикетке. Маркируется серой точкой у положительного электрода
(вывод 1).
Масса диода не более 0,15 г.
Рисунок 2.1 - Корпус диода 2А109А
Переключательный диод - 2А511А
. Тип - кремниевый, диффузионный,
переключательный.
Страницы справочника [2] - 315-317.
. Назначение - предназначен для применения в
переключающих устройствах, модуляторах, фазовращателях, аттенюаторах
сантиметрового и дециметрового диапазонов длин волн.
. Параметры
Таблица 2.3 - Электрические параметры диода
2А511А
Качество диода на высоком уровне
мощности при кВт, Iпр = 500 мА
и Uсм = 50 В,
не менее
Качество диода на низком уровне
мощности Вт, Iпр = 500 мА
и Uсм = 50 В и f=3 ГГц, не
менее:
при Т=+25 оС
при Т=+125 оС
при Т=-60 оС2500
1750
|
|
Прямое
сопротивление потерь при Вт, Iпр = 500
мА и f=3 ГГц, не
более2 Ом
|
|
Накопленный
заряд при Iпр = 100
мА и Uсм = 100
В, f=1 ГГц и tи = 10
мкс, не более
|
350
нКл
|
Общая
емкость при Вт, Uобр = 200
В и f=10…30
ГГц0,55…0,75 пФ
|
|
Таблица 2.4 - Предельный эксплуатационные данные
диода 2А511А
Постоянное
обратное напряжение
|
50…200
В
|
Постоянный
прямой ток
|
700
мА
|
Импульсная
падающая СВЧ мощность в коаксиале с W=50 Ом
|
10
кВт
|
Температура
окружающей среды
|
-60…+100
оС
|
. Корпус
Выпускает в металлокерамическом корпусе с
жесткими выводами. Тип диода в виде первой цифры приводится на корпусе.
Масса диода не более 0,25 г.
Рисунок 2.2 - Корпус диода 2А511А
Диод генераторный - АА724А
. Тип - арсенидогаллиевый, мезаэпитаксиальный,
на эффекте Ганна, генераторный.
Страницы справочника [2] - 399-401.
. Назначение - предназначен для применения в
генераторах сантиметрового диапазон длин волн.
. Параметры
Таблица 2.3 - Электрические параметры диода
АА723А
Минимальная
непрерывная выходная мощность в рабочем диапазоне частот при Т=-30 оС … +60
оС при U
= 7…9 В
|
10…15
мВт
|
Рабочий
диапазон частот
|
8,15…12,42
ГГц
|
Постоянный
рабочий ток при U = 7…9 В
|
190…400
мА
|
Сопротивление диода при I = мА
при Т=-+25 оС
при Т=-+70 оС
,5…13 Ом
Таблица 2.4 - Предельный эксплуатационные данные
диода АА723А
Постоянное
напряжение при Т=-60 оС … +85 оС
|
9,5
В
|
Рассеиваемая
мощность при Т=-60 оС … +85 оС
|
6,5
Вт
|
Температура
корпуса
|
+85
оС
|
Температура
окружающей среды
|
-60
оС … +70 оС
|
. Корпус
Выпускает в металлокерамическом корпусе с
жесткими выводами. Тип диода на групповой таре. Отрицательный вывод - со
стороны крышки.
Масса диода не более 0,15 г.
Рисунок 2.3 - Корпус диода АА723А
Задача 3
Пользуясь графиками зависимости энергии уровней,
расщепленных внешним постоянным магнитным полем, для заданной рабочей частоты:
а) выбрать систему рабочих энергетических
уровней - трехуровневую или четырехуровневую; выбор обосновать;
б) определить напряженность магнитного поля,
обеспечивающую нужную рабочую частоту;
в) указать переходы соответствующие
усилительному процессу, процессу накачки и вспомогательному излучению;
г) определить частоту генератора накачки.
Исходные данные:
Частота усиливаемого сигнала - 5 ГГц.
Решение:
В системе, находящейся в нормальном состоянии,
частицы распределяются по энергетическим уровням в соответствии с функцией распределения
статистики Больцмана: более высокий энергетический уровень заселен меньшим
числом частиц. Излучение происходит при условии, что на верхнем энергетическом
уровне будет больше частиц, чем на нижнем. Состояние вещества или системы, в
которой выполняется это условие, называется состояние с инверсией населенности
уровней.
Частота квантового перехода:
(3.1)
Подставляя в (3.1) данную по условию
частоту и постоянную Планка получаем величину энергии
излучения:
Дж.
Излучение происходит при переходе
электрона с более высокого уровня энергии на более низкий.
Энергетической накачкой в квантовой
электронике называют процесс нарушения равновесного распределения частиц по
энергетическим состояниям под воздействием внешнего электромагнитного
излучения. Метод энергетической накачки применяется для систем частиц,
обладающих тремя и более энергетическими уровнями. В двухуровневой системе
создать инверсную населенность частиц с помощью электромагнитного поля нельзя.
В трехуровневой системе возможно
получение переходов и при частоте
накачки более чем в 2 раза превышающей частоты переходов и
Использование четырех энергетических
уровней позволяет при определенных условиях получать большую инверсию, чем в
трехуровневой системе, снижать частоту накачки до величины, превышающей частоту
сигнала, а не удвоенную частоту, как это требуется в трехуровневой системе.
Используются два одинаковых рабочих
перехода Сигнал
накачки с частотой F14 одновременно обогащает верхний
уровень Е4 рабочего перехода и обедняет нижний уровень Е1
рабочего перехода Число
активных частиц при этом получается в 3 раза больше, чем в трехуровневой
системе.
Дж;
Дж.
Частота накачки равна:
ГГц
Рисунок 3.1 - График зависимости энергии уровней
от величины магнитного поля
Литература
лампа
бегущая волна
1. Федоров Н.Д. Электронные приборы
СВЧ и квантовые приборы. - М.: Атомиздат, 1979.
. Полупроводниковые приборы. Диоды
высокочастотные, диоды импульсные, опроэлектронные приборы: Справочник под ред.
А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1988.