МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ _________________________________________________________

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТАГАНРОГСКИЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Кафедра радиотехнической электроники

Р Е Ф Е Р А  Т

По «История и методология современной электроники и наноэлектроники»

«Электровакуумные приборы миллиметрового и субмиллиметрового диапазона»

 
 
                                                Выполнил

                                                студент гр. МГЭ 41

                                                Смирнов И.Д.

 
                                                Проверил

                                                Осадчий Е.Н. 
 
 
 
 
 
 

Таганрог

2011 г.

Оглавление 
 

ВВЕДЕНИЕ 3

ЛАМПОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО И СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА 4

Лампы обратной волны (ЛОВ) типа О 4

Электронная перестройка частоты 7

Электронное смещение частоты 8

Выходная мощность 9

Клистроны 10

Пролетные клистроны 10

Многорезонаторный клистрон 12

Отражательный клистрон 13

Область применения 15

Оротрон 16

ВЫВОД 18

Список используемой литературы 19 

ВВЕДЕНИЕ

     Проблема генерирования колебаний радиоволн в миллиметровом и субмиллиметровом спектре длин волн одна из наиболее трудных в современной радиоэлектронике.

     В настоящее время уже разработаны  и продолжаются разрабатываться  маломощные генераторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, работающие в диапазоне частот 30 – 300 ГГц для первых, и 300 – 3000 ГГц  для вторых. Задача генерации мощных стабильных колебаний для генераторов  субмиллиметровых волн практически не решена. Большинство методов генерирования колебаний большой мощности в указанном диапазоне исследовано лишь теоретически, а их экспериментальная проверка проводилась на миллиметровых волнах, что затрудняет в ряде случаев окончательную оценку их перспективности.

      Следует отметить, что существующие генераторы субмиллиметровых волн, например ЛОВ, лазеры это источники монохроматических  колебаний. Проблемы генерации, связаны с проблемами стабилизации частоты. Из этого следует, что в данный момент лучше направлять внимание на изучения способов достижения стабилизации частоты волн.

      Цель  данной работы – рассмотреть теорию принципы работы электровакуумных устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн, так как на данный момент это наиболее распространенные приборы, используемые в этом спектре частот. Дадим общее представления об этих приборах, и не будем вдаваться в подробности и конструктивные особенности моделей приборов для конкретных целей.

ЛАМПОВЫЕ  ГЕНЕРАТОРЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО И СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО  ДИАПАЗОНА

     Задача  создания генераторов субмиллиметровых волн решалась путем моделирования  электровакуумных приборов СВЧ диапазона. Успехи, достигнутые при моделировании  СВЧ приборов, в значительной степени  определялись улучшением технологии изготовления электронных пушек и замедляющих  структур (ЗС).

     Естественно, по мере увеличения частоты возникают  специфические трудности, ограничивающие генерируемые мощности и типы моделируемых приборов. В настоящее время из широко распространенных приборов СВЧ  субмиллиметровые волны генерируют только лампы обратной волны типа О и клистроны.

Лампы обратной волны (ЛОВ) типа О

     Лампа обратной волны – электровакуумный прибор, предназначенный для генерации  СВЧ волн, принцип действия которого основан на преобразовании энергии  электронных пучков в энергию  СВЧ излучения, путем их длительного  синхронного взаимодействия с электромагнитными  волнами в замедляющей системе  в обратном направлении движения электронов. В лампе обратной волны О типа происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем.

     Электронная пушка создаёт пучок электронов, движущийся к коллектору. Заданное сечение пучка сохраняется постоянным при помощи фокусирующей системы. Предположим, что со стороны коллектора в замедляющую систему ЛОВ введён СВЧ сигнал, то есть вдоль замедляющей системы справа налево двигается волна с групповой скоростью v_гр.

     Если  бы замедляющая система была однородной, и поле её бы не содержало пространственных гармоник, то фазовая скорость волны  была бы направлена так же, как и  групповая, то есть навстречу движению электронов. Эффективное взаимодействие между СВЧ-волной и пучком электронов должно было бы отсутствовать.

     Однако  если замедляющая система имеет  периодическую структуру, то имеющееся  в ней поле можно рассматривать  как сумму бесконечного множества  гармоник. Фазовые скорости этих гармоник могут быть направлены как в сторону  движения энергии (прямые волны), так  и в противоположную сторону (обратные волны). Можно подобрать ускоряющее напряжение (U₀) для пучка электронов так, чтобы обеспечить синхронизм между электронами и одной из замедленных обратных волн (V_e ≅ V_ф). где 

     Тогда электроны, поочерёдно проходя мимо неоднородностей, встречают одну и  ту же фазу высокочастотного продольного поля, что приводит к тому, что часть кинетической энергии пучка передаётся СВЧ-полю. При этом электронный поток приобретает модуляцию по скорости, что приводит к модуляции плотности электронного потока (быстрые электроны догоняют медленные). Этот модулированный поток, двигаясь по направлению к коллектору, наводит на замедляющей системе высокочастотный ток. Но энергия волны, с которой взаимодействуют электроны, двигается навстречу электронному потоку. В результате на выходе лампы около электронной пушки создаётся поле, превышающее первоначальный сигнал. Лампа приобретает свойства автогенератора.

     Таким образом, электронный пучок играет в ЛОВ двойную роль — как  источник энергии и как звено, по которому осуществляется положительная  обратная связь. Эта связь присуща  самому принципу ЛОВ и принципиально  неустранима, в отличие от других генераторов СВЧ.

     При изменении частоты ЛОВ СВЧ-волна  может отражаться от нагрузки и поступать  обратно в замедляющую систему. Эта отраженная волна может взаимодействовать  с электронным потоком, что будет  приводить к изменению выходной мощности. Для устранения этих эффектов на конце замедляющей системы, обращенном к коллектору включают самосогласованную нагрузку (поглотитель).  

Рис 1.1 Диаграмма  группирования электронного пучка, повоздействием переменного электромагнитного  поля 

     Далее рассмотрим саму конструкцию лампы  обратной волны

Рис.1.2 Схематическое устройство ЛОВ:

1 –  оксидный катод(источник электронов); 2 –  подогреватель катода; при подаче на подогреватель напряжения накала катод нагревается и из его оксидного слоя вылетают электроны; 3 – первый анод (А₁), изменяя напряжение на котором, мы  регулируем ток лампы ; 4 – второй анод (А₂), на который подаётся высокое ускоряющее напряжение (U₀); изменяя его, мы меняем скорость электронов; 5 – втулка арматуры длинной λ₀/4. Вместе со вторым анодом, длина которого то же λ₀/4, она образует СВЧ - дроссель, цель которого препятствовать утечке СВЧ - мощности, выходящей через волновод. Второй анод и втулка арматуры образу ют длинную коаксиальную линию(l= λ₀/4). Второй анод является внутренним проводником коаксиальной линии, а втулка – наружным проводником. Коаксиальная линия разомкнута на конце (R = ∞), а через λ₀/4 её сопротивление становится равным 0, что является закороткой по СВЧ , и волна не идет в пушку и в зазор между втулкой и стеклом баллона, а выходит через волновод к нагрузке; 6 –  замедляющая система, которая в ЛОВ может быть только неоднородной. Это может быть щелевая ЗС, но чаще – двух заходная проволочная или ленточная спираль. Такие  замедляющие   системы возбуждаются на колебаниях противофазного вида, и в них возникают пространственные гармоники. В двухзаходной спирали для получения фазового сдвига длина одного из проводников спирали в области электронной пушки увеличена на λ₀/2. При таком возбуждении нулевая гармоника(k = 0) в ЗС отсутствует и наибольшую ам-плитуду имеет обратная пространственная гармоника(k = –1); 7 – коллектор для сбора отработанных электронов; 8 – поглотитель отражённых от нагрузки волн; 9 –фокусирующая систем а; 10 – вывод энергии.[1] 

Электронная перестройка частоты 

     Электронная перестройка частоты – это  изменение частоты колебаний, генерируемых ЛОВ, при изменении величины  ускоряющего  напряжения и постоянном токе пучка. График изменения частоты от ускоряющего напряжения показан на рис. 1.3. 

Рис.1.3 График изменения частоты от ускоряющего напряжения.  

С ростом ускоряющего напряжения частота, генерируемая ЛОВ, растёт.

Поскольку  лампа   обладает  аномальной  дисперси ей  ( анома л ьная 

дисперси  я  – это  когда  с   возрастание  м  f  у величи вается   υ 

Электронное смещение частоты 

     Электронное смещениеч астоты  – это изменение частоты генериру емых колебаний при изменении тока пучка и постоянном ускоряющем напряжении на втором аноде. График изменения частоты от тока пучка показан на рис. 1.4 

Рис 1.4. График изменения частоты от тока пучка. 

     При возрастании  тока пучка увеличивается количество электронов, испускаемых катодом, а  при постоянном ускоряющем напряжении вокруг катода образуется объёмный пространственный заряд и влетающие в пространство взаимодействия электроны подтормаживаются пространственным зарядом. Средняя скорость электронов пучка понижается, и их  взаимодействие выполняется для меньших по величине фазовых скоростей волн, которым в замедляющей системе с аномальной дисперсией соответствуют более низкие частоты. 

Выходная  мощность 

     Выходная  мощность колебаний ЛОВ приблизительно пропорциональна величине напряжения на замедляющей системе и разности между рабочим и пусковым значениями тока электронного пучка:  

     Где k — коэффициент пропорциональности, I — ток электронного луча, I₀ — пусковой ток — минимальное значение тока при электронного луча, при котором возникает генерация. 

Рис 1.5 Зависимость мощности ЛОВ от напряжения на замедляющей системе 

     ЛОВ применяются в широкодиапазонных  сигнал- и свип-генераторах для  радиотехнических измерений и радиоспектроскопии, в основном для генерации терагерцового излучения, в гетеродинах быстро перестраиваемых приёмников, в задающих генераторах передатчиков с быстрой перестройкой частоты и т. д. 

Клистроны 

     Первые  конструкции пролётных клистронов были предложены и осуществлены в 1938 Расселом Варианом и Сигуртом Варианом. Отражательный клистрон был разработан в 1940 году Н. Д. Девятковым, Е. Н. Данильцевым, И.В.Пискуновым и независимо В. Ф. Коваленко. Клистроны подразделяются на пролетные и отражательные. В пролётном клистроне электроны последовательно пролетают сквозь зазоры объёмных резонаторов. В простейшем случае резонаторов 2: входной и выходной. Дальнейшим развитием пролётных клистронов являются каскадные многорезонаторные клистроны, которые имеют один или несколько промежуточных резонаторов, расположенных между входным и выходным резонаторами. В отражательном клистроне используется один резонатор, через который электронный поток проходит дважды, отражаясь от специального электрода — отражателя.[2] 

Пролетные клистроны 

     В клистроне имеются два объемных резонатора с ёмкостными сеточными  зазорами. Первый резонатор называют входным, или модулятором; второй — выходным. Пространство между ними называют пространством дрейфа или группирования.

     Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются постоянным напряжением U₀ второго электрода и попадают в узкий сеточный зазор первого резонатора, в котором имеется продольное СВЧ поле. Это поле периодически ускоряет и замедляет электроны, модулируя электронный поток по скорости. Двигаясь далее в пространстве дрейфа, электроны постепенно образуют сгустки за счёт того, что быстрые электроны догоняют медленные. Этот модулированный по плотности электронный поток попадает во второй резонатор и создает в нем наведенный ток той же частоты, что и частота входного модулирующего поля. В результате между сетками резонатора появляется высокочастотное электрическое поле, которое начинает взаимодействовать с потоком электронов. Необходимые параметры клистрона подбираются таким образом, чтобы электрическое поле второго резонатора тормозило сгустки электронной плотности и ускоряло её разряжения. В результате в среднем за период одного колебания поля тормозится большее число электронов, чем ускоряется. Кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний электромагнитного поля второго резонатора, а электроны, пройдя резонатор, оседают на коллекторе, рассеивая оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла.  КПД не превышает 20% 

Рис. 1.6  Устройство пролетного клистрона.

Многорезонаторный клистрон 

     В многорезонаторных клистронах между  входным и выходным резонаторами помещают дополнительные не нагруженные  резонаторы. В качестве примера, поясняющего  особенности их работы, достаточно рассмотреть пролётный трёхрезонаторный клистрон.

     Предположим, что промежуточный резонатор  точно настроен на частоту входного сигнала. Как и в двухрезонаторном клистроне, во входном резонаторе электроны модулируются по скорости и далее группируются в первом пространстве дрейфа. Если на вход поступает слабый входной сигнал, то и модуляция электронного потока будет незначительной. При этом величина наведенного тока во втором резонаторе также будет малой. Однако, поскольку не нагруженный промежуточный резонатор является высокодобротной системой, то даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение, создаваемое на его сетках, будет большим. Этому в значительной мере благоприятствует то обстоятельство, что второй резонатор не связан с внешней нагрузкой. Суммарная активная проводимость второго резонатора определяется только потерями в самом резонаторе и электронной нагрузкой затвора. 

Рис. 1.7 Устройство многопролетного клистрона 

     В установившемся режиме ток и напряжение во втором резонаторе имеют ту же частоту, что и частота входного сигнала. Напряжение, наведенное на втором резонаторе, вызывает сильную модуляцию скорости электронов и сильную группировку  электронного потока во втором пространстве дрейфа. В результате распределение  электронов в сгустках их плотности  будет определяться вторым резонатором  и зависимость конвекционного тока в третьем резонаторе будет примерно такой же, как в двухрезонаторном клистроне, образованном вторым и третьим  резонаторами, но при модулирующем напряжении гораздо большем, чем  модулирующее напряжение первого резонатора. При этом коэффициент усиления значительно увеличится, так как группирование электронов осуществляется при значительно меньшей амплитуде входного сигнала, подводимого к первому резонатору. Аналогичные процессы протекают в каждом промежуточном резонаторе многорезонаторного клистрона.

     С физической точки зрения повышение  коэффициента усиления многорезонаторного клистрона достигается не за счёт увеличения КПД и выходной мощности, а за счёт снижения мощности сигнала, необходимой на входе усилителя  для управления электронным потоком. Предельное значение КПД 58%. 

Отражательный клистрон 

     Отражательные клистроны предназначены для  генерирования СВЧ колебаний  малой мощности.

     Отражательный клистрон имеет один резонатор, дважды пронизываемый электронным потоком. Возвращение электронов осуществляется с помощью отражателя, находящегося под отрицательным постоянным потенциалом  по отношению к катоду. Таким образом, резонатор играет роль группирователя при первом прохождении электронов и роль выходного контура при  втором прохождении. Промежуток между  резонатором и отражателем играет роль пространства дрейфа, где модуляция электронного потока по скорости переходит в модуляцию по плотности.

     Для того чтобы клистрон мог генерировать СВЧ колебания необходимо, чтобы  сгустки электронного потока, сформированные при первом прохождении сквозь резонатор, проходили через резонатор при  обратном движении в те моменты, когда  в нём имеется тормозящее высокочастотное  электрическое поле. Электронный КПД отражательных клистронов ниже, чем у пролётных клистронов, и его реально достижимое значение не превышает нескольких процентов. 

Рис 1.8 Устройство отражательного клистрона 

     В пределах каждой зоны генерации возможна электронная перестройка частоты. На практике её осуществляют изменением напряжения на отражателе, так как  ток в цепи отражателя равен нулю и управление частотой генерации  происходит без затрат мощности.

     Диапазон  электронной перестройки частоты  у отражательных клистронов обычно не превышает 0,5% от среднего значения частоты.

     Также возможна механическая перестройка  частоты. Она осуществляется путём  изменения добротности резонатора. Различают два вида механической перестройки: индуктивную и емкостную. Первая осуществляется посредством  настроечных винтов и поршней. Вторая имеет место, когда вторая сетка  резонатора посажена на упругую мембрану, воздействуя на которую, можно изменять зазор между сетками резонатора. Диапазон механической перестройки  составляет примерно 25 % от средней частоты, что значительно больше диапазона электронной перестройки. Но при этом скорость перестройки невелика. 

Область применения 

     Пролётные клистроны являются основой всех мощных СВЧ передатчиков когерентных радиосистем, где реализуется стабильность и спектральная чистота высокостабильных водородных стандартов частоты. В частности, в выходных каскадах самых мощных в мире радиолокаторов для исследования астероидов и комет (радиолокационные телескопы, планетные и астероидные радары), которые расположены в обсерваториях Аресибо(Пуэрто Рико), Голдстоуне (Калифорния) и Евпатории (Крым), используются именно пролетные клистроны с водяным охлаждением.

     Отражательные клистроны применяются в различной  аппаратуре в качестве маломощных генераторов. Вследствие низкого КПД их не используют для получения больших мощностей  и применяют в качестве гетеродинов СВЧ приемников, в измерительной аппаратуре и в маломощных передатчиках. Их основные преимущества заключаются в конструктивной простоте и наличии электронной перестройки частоты. Отражательные клистроны имеют высокую надежность и не требуют применения фокусирующей системы.

     В настоящее время, в тех местах, где не требуется высокая радиационная устойчивость, генераторы на отражательных  клистронах вытесняются полупроводниковыми генераторами СВЧ. 

Оротрон 

      Оротрон – электровакуумный прибор в котором в результате взаимодействия электронного луча с периодической структурой открытого резонатора возбуждаются электромагнитные волны. О. применяют в качестве генератора миллиметровых и субмиллиметровых волн, главным образом в радиоспектроскопии для физических и биологических исследований. Предложен советскими физиками Ф. С. Русиным и Г. Д. Богомоловым в 1965. Представляет собой открытый резонатор, одно из зеркал которого имеет периодическую структуру. Электронный поток находится в фокусирующем магнитном поле, направленном параллельно движению электронов. Длина генерируемых волн λ определяется скоростью электронов v и периодом структуры d (λ = d ․v /c, где с — скорость света), а также расстоянием а между зеркалами резонатора (λ ≈ 2a /m, где m — число полуволн, укладывающихся между зеркалами) Вывод электромагнитных волн из оротрона. осуществляется либо через радиоволновод, либо непосредственно излучением в свободное пространство. В последнем случае зеркало, противоположное зеркалу с периодической структурой, должно быть слабо прозрачным для генерируемых волн. Перестройка частоты осуществляется в полосе, превышающей октаву, — либо непрерывно (одновременным изменением напряжения, ускоряющего электроны, и перемещением одного из зеркал, т. е. изменением расстояния a), либо дискретно (при этом изменяется m). оротрон. генерирует волны с высокой стабильностью частоты (мощность на выходе Оротрон 10вт при кпд Оротрон 1%). 

Рис 1.9. Схема конструкции оротрона: 1 – зеркало с периодической структурой; 2 – электронный поток; 3 – радиоволновод; 4 — зеркало; а — расстояние между зеркалами; d — период структуры.

ВЫВОД 

      Мы  достигли своей цели, рассмотрели  электровакуумные приборы, работающие на больших мощностях. Узнали принцип  их работы, параметры, КПД и область  приминения. В силу своей способностью работать на больших мощностях и  выдерживать многочисленные нагрузки, вакуумные приборы превосходят  полупроводниковые устройства. Этот диапазон излучения остается за лампами, и значит целесообразно всячески стараться повышать их производительность, пока не найдутся достойные аналоги  устройств.

Список  используемой литературы 

1. Червяков Г.Г, Горбина Л.А. Микроволновая электроника.Таганрог :  Изд-во   ТТИ   ЮФУ, 2009. – 169  с.

2. 1. Р.А. Валитов, С.Ф. Дюбко, В.В. Камышан, В.М. Кузьмичев, Б.И. Макаренко, А.В. Соколов, В.П. Шейко «Техника субмиллиметровых волн» Под редакцией профессора Р.А. Валитова М. «Сов. Радио» 1869г., 480 с.

3. Лебедев И.  В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 2, М., 1972

4. Интернет ресурс http://dic.academic.ru Русин Ф. С., Богомолов Г. Д., Оротрон как генератор миллиметрового диапазона, в сборнике: Электроника больших мощностей, в. 5, М., 1968