Проектування лампи зворотної хвилі малої потужності О - типу

Генерація коливань в  ЛЗХ починається при певному  мінімальному значенні анодного струму, який називається пусковим. При цьому потужність порушувальних коливань в ЛЗХ перевищує втрати потужності у сповільнюючій системі (умова балансу амплітуд). Пусковий струм, необхідний для початку самозбудження, збільшується із зростанням номера n (число n називають порядком коливань в ЛЗХ або номером зони коливань). Пусковий струм зменшується зі збільшенням опору зв'язку R_св сповільнюючої системи, а також зі збільшенням електричної довжини сповільнюючої системи. Параметр підсилення С в ЛЗХ малий, тому електронний ККД становить приблизно кілька відсотків [1].

Лампа зворотної хвилі  може бути використана також як підсилювач. У цьому випадку робочий струм  лампи повинен бути менше пускового. Процес підсилення в ЛЗХ аналогічний  процесу підсилення в ЛБХ, тільки сигнали посилюються в напрямку, протилежному напрямку руху електронів. Тому вхід лампи розташований біля колектора, а вихід, як і в генераторі, - біля електронної гармати. Такий підсилювач є регенеративним. Крива підсилення має вигляд вузької резонансної кривої, центр якої визначається умовою синхронізму. При зміні прискорюючої напруги умова синхронізму буде виконуватися для іншої частоти, і крива підсилення зміщується по осі частот. Така властивість підсилювальної ЛЗХ дозволяє використовувати її в якості селективного підсилювача з високою вибірковістю за частотою і електронною перебудовою резонансної частоти в широких межах. Однак підсилювальні ЛЗХ застосовуються мало.

 

2.  Параметри та характеристики лампи зворотної хвилі О – типу

 

Частота коливань ЛЗХ залежить від напруги U₀ між сповільнюючою системою і катодом. Сучасні ЛЗХ покривають діапазон частот від одиниць ГГц до одиниць ТГц [1]. 
          Ширина діапазону електронної перебудови частот характеризується або коефіцієнтом перекриття діапазону :

, 
або відносною величиною, вираженою у відсотках: 
 

 

де , - максимальна і мінімальна частоти діапазону електронної перебудови.

Типові значення  - 1.5 ÷ 2.

Вихідна потужність коливань ЛЗХ приблизно пропорційна величині напруги на сповільнюючій системі та різниці між робочим і пусковим значеннями струму електронного пучка [2, 3].

Зазвичай вихідна потужність випромінювання ЛЗХ становить від декількох міліват до декількох ват.

.

Рисунок 1.2 - Залежність потужності ЛЗХ від напруги на сповільнюючій системі

 

Залежність потужності випромінювання від напруги на сповільнюючій системі представлена ​​на рис. 1.2. Вихідна потужність ЛЗХ збільшується за рахунок зростання потужності, що підводиться U₀I. Однак після деякого значення U₀ відбувається зменшення вихідної потужності, пов'язане зі зменшенням різниці між робочим і пусковим значеннями струму електронного пучка (I – I₀).

Коливання ЛЗХ, як і інших типів НВЧ - генераторів, не є монохроматичними. Розширення спектральної лінії обумовлено випадковою модуляцією, що є наслідком дискретного характеру струму електронного променя, ефекту розподілу струму променя між окремими електродами і елементами сповільнюючої  системи, ефекту мерехтіння катода і інших причин. 
Однак, в ЛЗХ з магнітним фокусуванням, як і в інших НВЧ - приладах О - типу, також спостерігається значна періодична модуляція амплітуди і частоти коливань [1 - 3]. Однією з причин такої модуляції є релаксаційні коливання, що виникають в електронному потоці в області електронної гармати. 
Також, причиною модуляції може бути нестабільність джерела живлення ЛЗХ.

Оскільки її потужність може дуже сильно залежати від напруги на сповільнюючій системі, навіть незначна зміна напруги може призводити до великої модуляції вихідної потужності ЛЗХ.

Максимальний коефіцієнт корисної дії не перевищує в ЛЗХ О - типу  декількох відсотків [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ЧИСЕЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ  ЛАМПИ ЗВОРОТНОЇ ХВИЛІ О —  ТИПУ

 

 

За допомогою комп`ютерного моделювання [4] розраховані параметри і характеристики лампи зворотної хвилі малої потужності О – типу (додаток А) та наведено складальне креслення (додаток Б).

 

2.1 Визначення параметрів сповільнюючої системи

 

Знаючи діапазон частоти (2 - 4,3 ГГц), розрахуємо мінімальне та максимальне значення довжини хвилі [5] за формулою:

 ,

 

де с – швидкість світла, 3*10⁸ (м/с);

     f – частота, (Гц).

 

Маємо:

    - мінімальна довжина хвилі, (м);

    - максимальна довжина хвилі, (м).

 

Розрахуємо середину між мінімальною та максимальною довжиною хвилі [5]:

         

,

 

Отримали середню довжину  хвилі – 0,095 (м).

Щоб знайти струм пучка, припустимо , що він в два рази більше за пусковий струм [5], тобто:

 (мА) ,

 

де  - струм пучка, (мА);

    I_start – пусковий струм, (мА).

Радіус та крок двозахідної  спіралі розрахуємо [5]:

,

 

де λ_max – максимальна довжина хвилі, (м);

    ρ – крок двозахідної спіралі, (м);

    α - радіус спіралі, (м);

    А – коефіцієнт сповільнення ().

Так як параметри спіралі  мають бути багато менше довжини  хвилі, знаходимо:

= 0,0091 (м);

      α =0,0043 (м).

 

Ширину стрічки δ слід обирати з відношення [5]:

                                             .

При цих значеннях двозахідна спіраль  має найбільший опір зв’язку та найменше затухання.

Оберемо ,

Тоді   (м).

Отже, визначили ширину стрічки  =0,0023 (м).

При розрахунку ширини кільцевого катода вважаємо, що в ЛЗХ використовується зовнішній кільцевий електронний  потік.

Щільність струму катода  i=0,035 мА/ м [5]. Знаходимо площу поперечного перетину потоку:

    

,

де, - струм пучка, (мА);

      i – щільність струму катода,  (мА/ м ).

Допустимо, що електронний потік знаходиться на відстані α від центру спіралі [5]:

 

,

де S – площа поперечного перетину потоку, (м );

     α – радіус спіралі, (м);

     b – зовнішній радіус електронного потоку, (м):

Тоді b=0,00465 (м).

Кільцевий катод, шириною d=0,0005 м, забезпечить необхідний робочий струм пучка.

Розрахунок опору зв’язку проведемо  [5]:

  

,

де  - радіус спіралі, (м);

       - довжина хвилі, (м).

Маємо:

R₁=26 Ом   - на короткохвильовому кінці діапазону;

R₂=17 Ом   - на довгохвильовому кінці діапазону.

Розрахуємо дисперсійні характеристики. За дисперсію приймають залежність фазової швидкості хвилі від  довжини хвилі [5, 6]:

 

(м/с),

 

де с – швидкість світла, (м/с);

  α  - радіус спіралі, (м);

  ρ – крок спіралі, (м);

  λ – довжина хвилі, (м).

Для визначення довжини сповільнюючої системи треба розрахувати:

1) параметр підсилення С [1]:

 

,

 

де I_start – пусковий струм, (А);

     R – опір зв’язку, (Ом);

     U – напруга на сповільнюючій системі, (В).

2) плазмову частоту ω_р [1]:

   

,

 

де I_start – пусковий струм, (А);

     S – площа поперечного перетину потока, (м²);

     U – напруга на сповільнюючій системі, (В).

3) параметр просторового заряду   [2, 5]:  

  спочатку визначимо кругову частоту, за формулою:

ω =2*π* f,

 

 де f - частота, (ГГц).

 

Візьмемо середину діапазону – 3 (ГГц).

      

(ГГц),

    

,

 

де ω_р – плазмова частота, (Гц);

     С – параметр підсилення.

4) число сповільнених хвиль N:

Для визначення скористаємось формулою [5, 7]:

 ,

 

де U – максимальна напруга, (В);

     - параметр просторового заряду;

      R – опір зв'язку, (Ом);

      I_start – пусковий струм, (А).

Маємо:

N₁=11, на короткохвильовому кінці діапазону;

N₂=13, на довгохвильовому кінці діапазону.

5) довжину спіралі L [5, 7]:

  (м),

 

де N – число сповільнених хвиль;

    - коефіцієнт сповільнення;

     λ – довжина хвилі.

2. Моделювання розмірів балона лампи

 

Оберемо діаметр кварцевих трубок, що підтримують спіраль d_тр=0,0003 м.

Тоді внутрішній діаметр балона [1, 5]:

D_бвн = 2*α+2*d_тр=2*0,0043+2*0,0003=0,01468 (м),

 

де  α – радіус спіралі, (м).

 

Приймемо товщину стінки балона  δ_с=0,00006 м.

Тоді зовнішній діаметр балона [1, 5]:

D_бзовн=D_бвн+δ_с=0,01468+0,00006=0,01528 (м).

 

3.  Вирахування величини індукції магнітного фокусуючого поля

 

   Фокусування електронного пучка здійснюється магнітним полем, джерелом якого є магніт. Він забезпечує однорідне поздовжнє поле у лампі.

Радіус пучка β знайдемо з відношення : 

 

,

тоді:

 

(м);

де α – радіус спіралі сповільнюючої системи, (м).

Індукцію фокусуючого магнітного поля на однорідній ділянці  визначемо  з [1, 5]:

  

,

 

де  - струм пучка,  (А);

     β  - радіус пучка, (м);

     U – напруга, (В),

    B=

(Гс) = 0,00189 (Тл).

 

Визначимо довжину однорідної ділянки магнітного поля [1, 5]:

 

    (м),

 

де L – довжина сповільнюючої системи, (м).

 

4.  Розрахунок ступінчатого коаксіального трансформатора

 

Розрахуємо коаксіальний трансформатор, який забезпечує узгодження сповільнюючої систем із 50-омною коаксіальною лінією.

На рис. 2.1 бачимо, що середній довжині хвилі λ_mid =0,095 м відповідає величина хвильового опору в системі – 80 Ом.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 – Залежність хвильового опору від довжини  хвилі

Тобто, в заданій полосі трансформатор повинен забепечити трансформацію опору від  Z_вх =80 Ом  до  Z_вых=50 Ом .

 

Визначимо довжину кожної трансформаторної ділянки [2, 5]:

,

де  - середня довжина хвилі, (м).

 

Розрахуємо відносну полосу пропускання трансформатора [2, 5]:

,

де f_max та f_min – діапазон частоти, (ГГц).

Розрахуємо параметр t (масштабний множник) за формулою:

 ,

де р – відносна полоса пропускання.

  Отже, визначили:  t=2.

 

За допомогою таблиці 9.1 [1] визначимо  коефіцієнти a_m (для n=2) та підставляємо значення t =2.

Маємо:

;     

 

;

.

 

Визначимо хвильовий опір окремих ступенів трансформатора [1, 5] за формулою:

,

де, Zm - хвильовий опір окремої ділянки трансформатора, (Ом);

      Zin – вхідний хвильовий опір, (Ом);

     Zout – вихідний хвильовий опір, (Ом);

     a_m – коефіцієнт окремої ділянки.

Хвильовий опір першої ступені трансформатора [5, 6]:

 позначимо Y:

 

.

Отже:

 

  ,    

Z₁=56 Ом.

Хвильовий опір другої ступені трансформатора:

 .

Отже:

 , 

Z₂=66 Ом.

Перевіримо правильність розрахунку:

 

.

Отже:

,

  

Z_in=80 Ом.

Розрахуємо діаметри окремих трансформаторних ділянок. Оберемо діаметр зовнішнього провідника коаксіального виводу D=0,0005м.

Тоді:

, діаметр вхідної частини, (м);

, діаметр першої ступені, (м);

, діаметр другої ступені, (м);

, діаметр вихідної частини, (м).

 

Максимальне значення КСХН в межах розрахункової полоси при постійному Z_in=80 Ом визначимо [5]:

 ,

 

де t – масштабний множник (t=2) ,

Для n=2:

 - поліном Чебишева 2-го порядку.

Таким чином, хвильовий опір сповільнюючої  системи Z_in змінюється у діапазоні від 78 Ом до 94 Ом, тобто, максимальне значення КСХН буде на тому краю, на якому відношення Z_in/Z_out буде максимальне.

Зробивши  розрахунок, бачимо що максимальне значення Z_in/Z_out =93/76 буде на короткохвильовому кінці діапазону:

 .

Це значення КСХН трансформатора і буде максимальним значенням в розрахунковій полосі з урахуванням зміни Z_in .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВИСНОВКИ

 

 

В даному курсовому проекті  зроблено розрахунок лампи зворотної  хвилі О-типу малої потужності. Визначена  геометрія сповільнюючої системи  та її характеристики - дисперсію та опір зв'язку [8].