Лампа бегущей волны

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

Таблица 2.2 - Предельный эксплуатационные данные диода 2А109А

Импульсная рассеиваемая мощность при 0,5…1 мкс и

Импульсная рассеиваемая мощность при кратковременном воздействии (не более 5 мин) при 0,5…1 мкс и

. 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

Таблица 2.4 - Предельный эксплуатационные данные диода 2А511А

. 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

Сопротивление диода при I = мА

при Т=-+25 оС

при Т=-+70 оС

,5…13 Ом

Таблица 2.4 - Предельный эксплуатационные данные диода АА723А

. 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.