7 балл

Студент: Даниленко Александр Александрович

Группа: 4207

Порядковый номер: 5

Задача №1.

Для триода,тетрода опишите:

• конструкцию и принцип действия, используя: классический гидродинамический подход и квантовый подход.

• «Изобретите» гибридный прибор, используя «свой» прибор и любой из представленных 11-ти.

• Оцените характерный размер области взаимодействия прибора, если он работает на частоте .

Решение:

• Конструкция:

На рисунке выше представлена схема электровакуумного прибора с электростатическим управлением. Этот прибор содержит вакуумную плотную оболочку Б, внутри которой создается высокий вакуум, источник электронов – катод К, анод- А, на который подается постоянное положительное напряжение относительно катода, и несколько прозрачных для электронов сеток С1,С2…СN, которые находятся под определенными постоянными потенциалами относительно катода. Ближайшая к катоду сетка – управляющая (на нее подается высокочастотное напряжение – усиливаемый сигнал). Электронная лампа с одной сеткой – триод, с двумя – тетрод (одна управляющая, другая экранирующая).

• Принцип действия

При нагреве катода до рабочей температуры с его поверхности начинают испускаться электроны, которые при отсутствии напряжения на аноде концентрируются в виде электронного облака преимущественно вблизи катода. Если к аноду подвести положительное напряжение, то в межэлектродном пространстве возникает электрическое поле, притягивающее электроны к аноду. Эти электроны создают во внешней цепи ток, называемый анодным. Если на анод подать отрицательное по отношению к катоду напряжение, то возникающее электрическое поле будет отталкивать электроны от анода, поэтому анодный ток будет отсутствовать (это свойство односторонней проводимости).

То, что описано выше, в “чистом” виде относится к электровакуумному диоду. Но нам нужно описать принцип действия триода. Как говорилось выше – триод, в отличие от диода, имеет еще один электрод, выполненный в виде металлической сетки, расположенной между анодом и катодом. Триод, как и диод, обладает свойством односторонней проводимости электрического тока. Но правда это не основное его свойство. Основным свойством триода является то, что величиной протекающего через него тока можно управлять при помощи электрического напряжения сетки. Уменьшая или увеличивая потенциал сетки, можно ослаблять или усиливать действие поля анода и тем самым в широких пределах регулировать анодный ток триода.

Также стоит отметить, что управление током в триоде при помощи напряжения сетки можно осуществлять практически без затраты мощности в сеточной цепи. Для этого необходимо, чтобы в процессе управления потенциал сетки не становился положительным. Тогда электронный поток в триоде будет проходить сквозь сетку без потерь электронов на ее витках, не создавая в сеточной цепи активного тока. По этой причине триоды использовались не только в качестве электронных регуляторов тока, но и для построения различных по мощности генераторов и усилителей радиоволн.

Принцип действия триодного усилителя заключается в следующем. При подведении к электродам всех необходимых напряжений, включая напряжение накала, с катода возникает эмиссия электронов. Часть этих электронов под действием ускоряющего поля анода, проникающего сквозь сетку, в виде электронного потока направляется на анод и создает в цепи анодный ток (собственно все это было описано выше). Поскольку напряжение сетки непрерывно меняется с частотой усиливаемого сигнала, количество электронов, уходящих от катода на анод в единицу времени, будет также изменяться (модулироваться). Протекая через колебательный контур, настроенный в резонанс, переменный анодный ток создает в контуре переменное падение напряжения и выделяет в нем колебательную мощность. Обе эти величины на сравнительно невысоких частотах могут во много раз превышать напряжение сетки и мощность входного сигнала. Было замечено, что по мере повышения частоты усиливаемых сигналов коэффициент усиления триодного усилителя постепенно снижается. Усилитель начинает работать нестабильно и приобретает склонность к самовозбуждению. Исследования показали, что главной причиной проявления указанного недостатка явилось увеличение емкостной проводимости междуэлектродного промежутка анод-сетка. В триодах в зависимости от размеров электродов емкость указанного промежутка C_ac составляет от нескольких пикофарад, поэтому на высоких частотах проводимость 𝜔C_ac оказывается весьма существенной. При этом ее сопротивление окажется соизмеримым с эквивалентным сопротивлением анодной нагрузки триода, в связи с чем резко проявится непосредственная (электромагнитная и полевая) связь между входной и выходной цепями усилителя, благодаря которой мощность сигнала из одной цепи может переходить в другую без участия электронного потока. Такой переход эквивалентен дополнительным потерям мощности, которые особенно чувствительны во входной цепи, где они могут во много раз превышать мощность, затрачиваемую непосредственно на управление электронным потоком, и тем самым значительно снижать коэффициент усиления по мощности. Переход колебательной мощности из выходной цепи во входную в конечном счете приводит к нестабильной работе даже самовозбужденного усилителя (эффект проходной емкости). Для устранения указанного недостатка необходимо либо до минимума снизить величину проходной емкости в лампе, либо максимально нейтрализовать ее действие, введя в схему усилителя соответствующие усовершенствования.

Вот на этом моменте на сцене появляется второй герой данного задания – тетрод.

Значительно снижение проходной емкости триода было достигнуто путем введения в межэлектродный промежуток сетка-анод дополнительной сетки, предназначенной для экранирования первой сетки и катода от воздействия поля анода. При выборе структуры и густоты экранирующей сетки нужно учесть ряд противоречий. С одной стороны, она должна быть эффективным электростатическим экраном, т.е. иметь плотную структуру, малопрозрачную для поля анода, но, с другой стороны, т.е. быть достаточно редкой, чтобы не препятствовать движению электронов к аноду, тем самым не нарушая работу усилителя. Для решения этой задачи потребовалось сделать следующее: выбрать шаг сетки, равный или несколько превышающий шаг управляющей сетки, заземлить ее лишь по высокой частоте путем присоединения к катоду через специальный конденсатор большой емкости и одновременно подать на нее постоянное положительное напряжение не менее (0,1…0,15)E_a (где E_a – часть энергии, полученная электронами от источника постоянного напряжения). Благодаря этому проходная емкость в экранированных тетродах была снижена примерно на один-два порядка по сравнению с аналогичной емкостью в триоде, и таким образом получено значительное улучшение высокочастотных свойств этой лампы.

Ниже представлены анодные характеристики тетрода. Их особенностью являются “провалы” в кривых анодного тока и “подъемы” в кривых тока экранирующей сетки. Причиной этого эффекта является переход вторичных электронов, выбиваемых из анода первичными электронами (т.е. движущимися с катода), на экранную сетку, потенциал которой превышает анодный потенциал. В результате этого величина анодного тока, обусловленная как первичными, так и вторичными электронами, понижается, а величина тока экранирующей сетки – повышается, В теории электронных ламп данный эффект получил название анодного динатронного эффекта. Этот эффект прекращается, как только напряжение на аноде превысит напряжение на экранирующей сетке.

Итого введение экранирующей сетки позволило значительно поднять высокочастотный “потолок” и на порядок увеличить коэффициент усиления лампового усилителя. Но вместе с этим появились и дополнительные искажения сигнала, обусловленные анодным динатронным эффектом. Кроме того, этот эффект заметно снижал КПД тетродного усилителя, а также стабильность его работы.

Стоит сказать несколько слов конкретно про движение электронов в данном приборе.

В момент t=0 из катода выходит плотный слой пространственного заряда, соответствующий максимальному значению конвекционного тока. Поле пространственного заряда этого слоя ускоряет электроны, находящиеся на передней его границе и тормозит электроны, движущиеся позади. Кроме того меняется действующий потенциал, как показано на рисунке ниже. В итоге траектории электронов на пространственно-временной диаграмме приобретают вид, который показан на рисунке ниже:

Электрон 1 – движется с максимальной скоростью и проходит плоскость сетки м момент времени t₁. Электрон 2 движется по подобной траектории.

Электрон 3 – приближается к сетке в момент времени, когда поле в пространстве катод-сетка становится тормозящим, поэтому он полностью теряет скорость и поворачивает к катоду. В

В этот момент импульс конвекционного тока в плоскости сетки заканчивается.

Электрон 4 – не долетает до сетки и, также как электрон 3, совершает колебания в пространстве катод-сетка. После одного или нескольких таких колебаний они либо пролетают к аноду, либо остаются на катоде.

Электроны 5,6 – сразу возвращаются на катод с нулевыми скоростями, что приводит к дополнительному нежелательному нагреву катода.

Диаграмма движения электронов на промежутке катод-сетка триода

Электроны, эмитированные катодом, под действием результирующего поля сетки и анода в виде модулированного по плотности потока направляются к аноду. Движение электронов в этом промежутке происходит под действием ускоряющего поля анода и переменного напряжения на нем, которое сравнимо по амплитуде с постоянным. Поэтому скорости электронов в процессе движения меняются как показано на рисунке ниже (τ_н и τ_к – время импульсов наведенного и конвекционного токов):

Диаграмма движения электронов на промежутке сетка-анод триода

В области анода электронный поток, с одной стороны, ускоряется постоянным полем, сообщающим ему в конце движения энергию, полученную электронами от источника постоянного напряжения, а с другой - взаимодействует с переменным полем, обусловленным переменным напряжением на аноде. Это поле в один полупериод тормозит электроны и тем самым отбирает от них часть приобретенной ими энергии, а в другой – дополнительно ускоряет их и, следовательно, отдает им часть своей энергии. Благодаря тому, что в тормозящий полупериод этого поля к аноду подходит большее количество электронов, чем в ускоряющий полупериод, общая энергия, передаваемая электронами полю при торможении, превосходит энергию поля, отбираемую электронами при их дополнительном ускорении. Таким образом, часть энергии, полученной электронами от источника постоянного напряжения, преобразуется в энергию переменного электромагнитного поля, которая накапливается в колебательном контуре и определяет собой энергетический уровень выходного сигнала. Оставшуюся часть энергии электронный поток рассеивает на аноде, бомбардируя его и вызывая ряд побочных явлений: нагрев анода, вторичную электронную эмиссию, рентгеновское излучение.

• Гибридный прибор

Для длинноволнового и средневолнового диапазона СВЧ актуальной проблемой является создание мощных высокоэффективных усилительных и генераторных приборов с уменьшенными габаритами и массой. В этом диапазоне СВЧ обычно используются СВЧ-тетроды и многорезонаторные клистроны. Известны СВЧ-клистроны, работа которых основана на скоростной модуляции электронного луча. Они могут быть использованы для усиления и генерации СВЧ-сигналов, имеют большой коэффициент усиления и высокий уровень выходной мощности.

Однако по сравнению с СВЧ-триодами и тетродами клистроны (в режиме с большим КПД) имеют большие габариты и массу. Кроме того, для получения больших мощностей они требуют больших ускоряющих напряжений, а тетроды имеют невысокий КПД, большие тепловые потери и сравнительно малый срок службы. От этих недостатков в значительной мере свободны гибридные приборы - клистроды, объединяющие в одном приборе клистрон и СВЧ-триод (или тетрод), т.е. данные приборы характеризуются малыми размерами прибора при высоких показателях мощности, КПД и надежности.

Катод, сетка, анод и входной резонатор образуют как бы триодную часть прибора, возбуждаемую входным сигналом. На выходе из сетки электронный пучок оказывается модулированным по плотности вследствие воздействия высокочастотного электрического поля в пространстве катод-сетка. отличие от динамического группирования электронов в клистронах его называют модуляцией эмиссии. Триодная часть клистрода работает в классе В (точнее – в АВ), когда на сетку подается отрицательное смещение относительно катода, которое по абсолютной величине несколько меньше напряжения запирания триода. Этот режим характеризуется высокой линейностью и превосходным КПД. Так как сетка является элементом входного резонатора, она должна быть изолирована от его катода по постоянному напряжению. В качестве изоляции применяют специальные блокировочные конденсаторы, не препятствующие протеканию в резонаторе высокочастотных токов. Таким образом, в катодно-сеточной части прибора формируется периодическая, с частотой входного сигнала, последовательность электронных сгустков, которые ускоряются до анодного потенциала в пространстве сетка-анод. Затем сгустки поступают в выходной резонатор и взаимодействуют с его высокочастотным полем, отдавая кинетическую энергию точно так же, как это происходит в обычном пролетном клистроне. В приборе предусмотрены короткие пролетные каналы до и после выходного резонатора, а от расфокусировки электронный пучок удерживается магнитным полем соленоида. Магнитное поле позволяет без потерь на стенках канала транспортировать электронный пучок до коллектора, где он и рассеивается.

Немаловажно, что в клистродах остаточная энергия отработанного электронного пучка рассеивается в коллекторе, а не в аноде, как в триодах и тетродах. Эта особенность конструкции клистродов позволила достичь очень высоких уровней выходной мощности (пиковая мощность до 70 кВт) при высокой надежности и долговечности. прибора.

• Оценка характерного размера области взаимодействия триода (тетрода) при частоте f=5 ГГц:

Для оценки длины волны воспользуемся формулой:

Допустим, что v=4*10⁶ м/с, тогда длина волны равна 1 см. Учитывая, что в области взаимодействия катод-анод укладывается несколько целых волн, длина области взаимодействия может быть оценена в L=10 см.

Источники:

1. Сушков А.Д., Вакуумная электроника: Физико-технические основы.

2. Григорьев А.Д., Иванов В.А., Молоковский С.И., Микроволновая электроника.

3. http://www.electronics.ru/files/article_pdf/1/article_1904_829.pdf

4. http://www.findpatent.ru/patent/208/2084042.html

1 балл

Задача №2

Приборы с квазистатическим управлением. Триод.

Рассчитать диапазон углов пролета в промежутке катод-сетка для триода, работающего в одном из режимов А, В или С. Рабочая частота , расстояние катод-сетка 0.1*, постоянное напряжение на аноде 100* , проницаемость сетки 0,01*(. Рассчитайте для этих углов коэффициент взаимодействия. Используя полученные результаты, объясните, почему триоды неэффективны на высоких частотах.

Решение:

Исходные данные:

Проведем расчет для режима В. Данный режим характеризуется углом отсечки, равным 90 градусам, т.е ток течет через триод, когда напряжение больше 0.

Сеточное напряжение в нашем случае будет определяться выражением:

- где первое и второе слагаемые – постоянная и переменная составляющие сеточного напряжения соответственно.

Т.е. меняется от 0 до .

Для определения действующего напряжения в триоде, являющимся ускоряющим, используется формула :

Соответственно меняется от до .

Скорость найдем из формулы:

Далее угол пролета вычисляется по формуле:

• 

• 

Коэффициент взаимодействия определяется по формуле:

Соответственно для:

• 

• 

Почему триоды неэффективны на высоких частотах:

Как видно по формулам для , с ростом частоты растет угол пролета, но в то же время уменьшается коэффициент взаимодействия. Когда угол пролета достигнет значения 2, коэффициент взаимодействия упадет до 0. Поэтому для эффективной скоростной модуляции необходимо обеспечить выполнение условия . Недостатком триода в качестве СВЧ-генератора является то, что электрону требуется время, чтобы пролететь между электродами, но при высокой частоте электрон не успевает сделать это, поэтому так и не преодолев все расстояние между электродами, электрон вынужден повернуть в обратную сторону. Получается, что электроны просто колеблются в лампе, не отдавая свою энергию во внешнюю цепь.

Источник: Сушков А.Д.

Вакуумная электроника: Физико-технические основы.

2 Балл.

Задача №3.

Приборы с динамическим управлением. Клистрон.

Рассчитать угол пролета, при котором электрон, попавший в ускоряющую фазу напряжения, догонит электрон, попавший в тормозящую фазу. Расчет провести в кинематическом приближении. При расчетах принять: постоянное ускоряющее напряжение , длину зазора (область взаимодействия) , глубину скоростной модуляции , рабочая частота .

Как изменится процесс группирования при учете сил пространственного заряда, если ток луча равен , а диаметр луча ? На каком расстоянии от середины модулирующего зазора будет максимальная группировка?

Решение:

Исходные данные:

1. Определим угол пролета:

Пусть скорость электрона в тормозящей фазе: , а в ускоряющей

Скорость электронов перед зазором будет определяться выражением:

Вклад поля в скорость в зазоре будет определяться выражением:

Пусть t₁ и t₂ – время попадания электрона в тормозящую и ускоряющую фазу соответственно. Тогда разница между этими временами составляет половину периода.

Предположим, что электроны в процессе дрейфа встретятся на расстоянии l от входа в дрейфовую трубку. Тогда электроны встретятся при условии равенства суммы времен их попадания в дрейфовую трубку и времени пролета их по ней. То есть:

где и - общее время пролета “быстрого” и “медленного” электронов соответственно.

Следовательно , а с учетом и :

, что в свою очередь равно половине периода.

Так как : , из чего вытекает, что

Угол пролета определяется согласно формуле:

2. Определение изменения процесса группирования при учете сил пространственного заряда:

Для начала стоит определить плотность тока луча. Вычислим площадь поперечного сечения пучка:

Тогда

Далее нужно определить плазменную частоту колебаний:

Параметр группирования определяется выражением

Но из-за препятствия кулоновских сил группированию формула приобретает следующий вид:

Исходя из этих расчетов можно заключить, что происходит разгруппирование, т.к. параметр группировки очень сильно уменьшается c учетом кулоновских сил.

3. Определение расстояния (от середины модулирующего зазора), на котором будет наблюдаться максимальная группировка:

Максимальный параметр группировки будет при условии:

или

Выразим и получим:

Тогда расстояние от середины модулирующего зазора:

Источники:

1. Презентация и материалы (по магнетрону) к лекции №8

2. Сушков А.Д. Вакуумная электроника: Физико-технические основы.

1.5 Балл

Задача №4.

Приборы с динамическим управлением. ЛБВ.

Провести расчет параметров спиральной замедляющей системы (ЗС) для ЛБВ.

Исходные для расчета (заданные) величины:

• Коэффициент усиления по мощности

• Первеанс электронного пучка

• Радиус электронного пучка

• Отношение радиуса пучка к радиусу спирали

• Ускоряющее напряжение пучка

• Ускоряющее напряжение различно для различных вариантов

вычисляется по правилу:

.

Определяются следующие величины и параметры:

• Ток и мощность электронного пучка – I_0, P₀

• Скорость электронного пучка

• Шаг спиральной ЗС – p, при котором выполняются условия синхронизма движения пучка и электромагнитной волны

• Длина спиральной ЗС, которая обеспечивает заданное значение коэффициента усиления

Для расчетов могут быть использованы следующие соотношения:

,

Где - постоянная усиления, при ее расчете сопротивление связи принять равным ,

– длина замедляющей системы, выраженная в длинах замедленных волн

Решение:

Исходные для расчета (заданные) величины:

μ_b=35 дБ

Р=0,2*(7*0,5)*10^-6 =0,7*10^-6 А/В^3/2

r_b=1 мм

r_b/a=0,7

U_a=1,5+5*0,25=2,75 кВ

1. Определим ток и мощность электронного пучка:

, откуда =0,101 А

2. Найдем скорость электронного пучка v_e:

3. Найдем шаг спиральной ЗС:

Поле перемещается вдоль оси ЗС с фазовой скоростью . Условием синхронизма является , где

Отношение называется коэффициентом замедления, который связан с шагом через выражение:

, где a – радиус спирали

При этом

Тогда , а следовательно (после преобразований)

4. Найдем длину спиральной ЗС, обеспечивающую

R=100 Ом

, отсюда

, отсюда (т.к. , т.е. )

(P.S. По этой задаче возник вопрос в процессе решения:

В формуле уже учтено, что ω – циклическая частота?

Если нет, то получается такое: T , т.е. , а следовательно

)

Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Лампа_бегущей_волны