Приборы со скрещенными полями

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

ПРИБОРЫ СО СКРЕЩЕННЫМИ ПОЛЯМИ

Такие приборы называют платинотронами. Платинотрон, работающий в усилительном режиме, называют амплитроном, а в генераторном режиме, с высокой стабильностью частоты,- стабилотроном.

Устройство и принципы работы амплитрона.

Устройство имеет много общего с магнетроном (рис 1). Как и в многорезонаторном магнетроне имеется цилиндрический катод и анодный блок с резонаторами. В магнетроне замедляющая система, образованная цепочкой резонаторов замкнута, а в амплитроне разомкнута. Это достигается разрывом системы связок. ВЧ развязка между разомкнутыми концами осуществляется с помощью специальной ячейки. Концы замедляющей системы амплитрона связаны с СВЧ входом и выходом прибора и согласованы с внешними СВЧ трактами. Так в усилителе достигается режим бегущей волны и обеспечивается его работа в достаточно широкой полосе частот. С целью устранения самовозбуждения на р-виде, типичного для магнетронного генератора, амплитрон имеет нечетное число резонаторов.

Рис 1

В ячейке, осуществляющей развязку входа и выхода, электронный поток не взаимодействует с полем волны рабочего вида колебаний. В амплитроне этот сектор небольшой и при его прохождении электронная спица не успевает разгруппироваться под действием собственного пространственного заряда. Именно с сохранением сгруппированной спицы по всей окружности пространства взаимодействия амплитрона связано использование замедляющей системы с аномальной дисперсией. В амплитроне рабочей является обратная пространственная гармоника, при которой фазовая и групповая скорости волн направлены противоположно. Направление магнитного поля, перпендикулярного плоскости чертежа, выбирается таким, чтобы движение электронов происходило навстречу потоку СВЧ энергии, движущейся между входом и выходом. Электронная спица, вращающаяся в направлении, противоположном направлению нарастания СВЧ амплитуды по ЗС, после прохождения ячейки, осуществляющей развязку между входом и выходом, попадает под выходные ячейки анодного блока. В этих ячейках амплитуда СВЧ поля максимальна и происходит быстрое восстановление частично разгруппированной спицы. Благодаря этому эффективно используется энергия сгруппированного пространственного заряда и к.п.д. амплитрона достигает 70-80% и более. Отсутствие замкнутой колебательной системы обуславливает относительную широкополосность усилителя.

Потери, вносимые при прохождении СВЧ сигнала через «холодную» ЗС не превышают 0.5дБ. При подаче анодного напряжения амплитрон усиливает сигнал, поступающий на его вход, по практически не влияет на сигнал, наступающий со стороны выхода, т.е. ведет себя как четырехполюсник с однонаправленным усилением проходящего сигнала.

При рассогласовании входа и выхода амплитрон может самовозбудиться. Для устранения самовозбуждения на входе и выходе включаются ферритовые вентили.

Электронный поток устойчив (стационарен) как и в магнетроне при условии

,

где:

N-число сегментов анодного блока;

-сдвиг фазы СВЧ поля на одну ячейку анодного блока.

Амплитрон может работать на частотах сигнала, для которых фазовый сдвиг на ячейку равен

.

При этом спица, образующаяся в тормозящем СВЧ поле, совершив один оборот вокруг катода, снова попадет в максимум тормозящего поля и будет взаимодействовать с ним.

Если частота не удовлетворяет последнему условию, то спица после одного оборота не попадет в прежнюю фазу СВЧ сигнала, а будет опережать или отставать по фазе на угол . Если

или

спицы после одного оборота попадают в ускоряющее поле и будут распадаться.

Это позволяет оценить полосу пропускания амплитрона

Например, для амплитрона с N = 11, n = 4 и = 0 соответствует =131⁰. Граничным сдвигам фазы соответствуют = 123⁰ и = 139⁰. Так что

Если связь между фазой и частотой была бы линейной, то полоса пропускания составила бы 12%. Для реальных дисперсионных характеристик полоса пропускания не превышает 10%.

Характеристики и параметры амплитрона.

Амплитудная характеристика

Амплитудная характеристика - зависимость , (рис 2). Экспериментально обнаружено, что амплитрон устойчиво работает лишь при Р_вх>Р_{вх пор}, причем Р_{вх пор} зависит от постоянной мощности питания Р₀=I₀U_o. Заштрихованная область соответствует значительным шумам и паразитному самовозбуждению, при котором частота не соответствует частоте входного сигнала.

Рис. 2

При слабом сигнале не формируются устойчивые спицы. Начиная с порогового входного сигнала, выходная мощность растет с ростом входного сигнала сначала линейно, а затем , а далее наступает насыщение. Дальнейший рост возможен только при увеличении постоянного тока.

В режиме насыщения Р_вых и к.п.д. максимальны, но коэффициент усиления невелик. Поэтому амплитрон пригоден для использования в мощных оконечных каскадах.

Поскольку вносимые потери амплитрона очень малы к.п.д. определяется через соотношение:

где Р_вх- входная мощность.

Рабочие характеристики амплитрона

Рабочие характеристики амплитрона при (рис 3) похожи на рабочие характеристики магнетрона. Особенностью является область срыва усиления при больших анодных токах.

Рис 3

Величина I_срыв обусловлена эмиссионной способностью катода и его вторично-эмиссионными свойствами.

Амплитудно-частотная характеристика.

Полоса пропускания рабочих частот ограничена замкнутым характером электронного потока. Кроме того, она зависит от режима работы и степени согласования в элементах ввода и вывода. С ростом мощности входного сигнала она увеличивается. Полоса рабочих частот в реальном приборе достигает 5-10%.

Нагрузочные характеристики.

Характерная особенность амплитрона - слабое влияние нагрузки на выходную мощность. Линии постоянной мощности на круговой диаграмме образуют почти окружности.

5. Фазочастотная характеристика.

ФЧХ при I_a=const в диапазоне частот почти линейна. Изменение тока приводит к небольшому дополнительному изменению фазы. По аналогии с электронным смещением частоты магнетронных генераторов, амплитрон можно характеризовать электронным смещением фазы. Типичная величина электронного смещения фазы 0,1-0,3⁰ на 1% изменения анодного тока.

6. Параметры.

1. Выходная мощность и к.п.д.

В амплитроне принципиально не существует ограничения на выходную мощность. Однако практически она определяется эмиссионной способностью катода и допустимой мощностью рассеиваемой на аноде.

В непрерывном режиме Р_н достигает 500кВт, а в импульсном- 10МВт. Обычный к.п.д. не менее 55-60%, а у мощных и сверхмощных 70-85%.

2. Коэффициент усиления

Коэффициент усиления мощных амплитронов не превышает 10дБ, приборов средней мощности 15дБ и только в маломощных приборах непрерывного усиления достигает 20дБ.

Стабилотрон

Стабилотрон - это генератор высокостабильных по частоте колебаний, выполненный на основе платинотрона. Выходной тракт стабилотрона имеет отражатель для создания обратной связи с помощью отраженной по входу волны. В цепь обратной связи включен на входе высокодобротный стабилизирующий частоту контур. Для обеспечения перестройки частоты в цепь обратной связи между внешним резонатором и входом платинотрона включен фазовращатель в виде отрезка передающей линии переменной длины.

Устройство стабилотрона имеет вид (рис 4) , где:

Рис 4

1- стабилизирующая система; 2 - фазовращатель; 3 - ЗС платинотрона; 4 - выходной отражатель.

Если на выходе платинатрона появится шумовой сигнал, то часть его отразится от отражателя 4 и проходит практически без затухания на вход платинотрона и попадает в резонатор. Составляющая шума с частотой настройки резонатора отразится от него ко входу платинатрона, усилится в нем и уже усиленный сигнал отразится ко входу платинатрона. Таким образом, для колебаний с частотой резонатора появится замкнутая цепь обратной связи.

Если сдвиг фазы по петле обратной связи кратен 2р, то связь положительная и происходит самовозбуждение колебаний. Основным элементом, стабилизирующим частоту автоколебаний, является резонатор. Фаза коэффициента отражения в месте расположения резонатора очень сильно зависит от частоты (рис 5). Применение высокостабильного резонатора повышает стабильность генерируемой частоты в 100-200 раз по сравнению с простым короткозамыкателем на входе. Для перестройки частот необходимо перестраивать резонатор с одновременной подстройкой фазовращателя. Перестройка частоты возможна в диапазоне до 10%.

По сравнению с магнетроном, при той же мощности, стабилотрон имеет более высокую стабильность частоты, низкое электронное смещение частоты , низкую степень затягивания частоты нагрузкой.

Рис 5

Карматрон и ультрон.

Карматрон - это широкополосный генератор М-типа с замкнутым электронным пучком и разомкнутой замедляющей системой (рис 6) с электронной перестройкой частоты генерации.

Используется встречно-штыревая ЗС, имеющая высокое сопротивления связи. При синхронизме выполняется условие самовозбуждения за счет противоположных направлений движения электронного потока и обратной волны. амплитрон ячейка карматрон ультрон

Рис 6

За счет более высокого сопротивления связи в отличие от амплитрона обратная связь является более сильной и стабильной и происходит не шумовая генерация, а гармоническая. Изменение анодного напряжения U_a при постоянном значении B=const вызывает перестройку частоты генерации примерно в 10% полосе частот. Механизм формирования спиц пространственного заряда аналогичен ранее рассмотренному для амплитрона. Карматрон полезен там, где требуется сочетание высокой выходной мощности с безинерциионной перестройкой частоты. При f=420МГц, Р=2.6кВт, з=70% электронная перестройка частоты 5%.

Ультрон в отличие от амплитрона является усилителем прямой волны. Для предотвращения обратной связи в ультроне используется локальный поглотитель в замедляющей системе. Прибор включается в работу подведением усиливаемого сигнала, большего некоторой пороговой величины, а при отсутствии входного сигнала устойчив и тока не потребляет. Является более широкополосным, чем амплитрон. Параметры одного из ультронов: частота 3ГГц, Р_вых=1МВт, усиление 15дБ, к.п.д. 60%.

По к.п.д. ультрон уступает амплитрону.

Список литературы

1. Барыбин, А.А. Электроника и микроэлектроника. Физико-технологические основы / А.А. Барыбин. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 424 c.

2. Белов, Н.В. Электротехника и основы электроники: Учебное пособие / Н.В. Белов, Ю.С. Волков. - СПб.: Лань, 2012. - 432 c.

3. Белоусов, В.В. Судовая электроника и электроавтоматика: Учебник / В.В. Белоусов, В.А. Волкогон. - М.: Колос, 2008. - 645 c.

4. Борисенко, В.Е. Наноэлектроника: теория и практика: Учебник / В.Е. Борисенко, А.И. Воробьева, А.Л. Данилюк, Е.А. Уткина. - М.: БИНОМ. ЛЗ, 2013. - 366 c.

5. Вайнштейн, Л.А. Теория дифракции. Электроника СВЧ / Л.А. Вайнштейн. - М.: Радио и связь, 1995. - 600 c.

6. Велстистов, Е. Все о приключениях Электроника: Повести / Е. Велстистов. - СПб.: Азбука-Аттикус, 2013. - 592 c.

7. Велтистов, Е.С. Победитель невозможного: третья книга из цикла о приключениях Электроника / Е.С. Велтистов. - М.: Дет. лит., 2010. - 235 c.

8. Воронков, Э.Н. Твердотельная электроника. Практикум: Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / Э.Н. Воронков. - М.: ИЦ Академия, 2010. - 128 c.

9. Воронков, Э.Н. Твердотельная электроника: Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / Э.Н. Воронков, А.М. Гуляев, И.Н. Мирошникова. - М.: ИЦ Академия, 2009. - 320 c.

10. Гальперин, М.В. Электротехника и электроника: Учебник / М.В. Гальперин. - М.: Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 480 c.

11. Голубева, Н.С. Основы радиоэлектроники сверхвысоких частот: Учебное пособие / Н.С. Голубева, В.Н. Митрохин; Под общ. ред. проф. д.т.н. И.Б. Федоров. - М.: МГТУ им. Баумана, 2008. - 488 c.

12. Горохов, П.К. Толковый словарь по радиоэлектронике / П.К. Горохов. - М.: Русский язык, 1993.

13. Гусев, В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. - М.: КноРус, 2013. - 800 c.

14. Джонс, М.Х. Электроника - практический курс / М.Х. Джонс. - М.: Техносфера, 2013. - 512 c.

Размещено на Allbest.ru