Расчет лампы бегущей волны О-типа малой мощности

Содержание

Введение

1 Расчетная часть

1. Расчет геометрии замедляющей системы

2. Расчет дисперсионной характеристики и сопротивления

связи

3. Расчет геометрии рабочих параметров вывода и ввода энергии

4. Расчет величины индуктивности фокусирующего магнитного поля

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

Лампа бегущей волны - электровакуумный СВЧ прибор, работа которого основана на длительной бегущей электромагнитной волне и электронного потока, движущийся в одном направлении. ЛБВ предназначена для широкополосного усиления СВЧ колебаний в диапазоне частот от 300 МГц до 300 ГГц, а так же для преобразования умножения частот и других целей.

Основными частями лампы бегущей волны являются: электронная пушка для создания и формирования электронного потока; замедляющая система, снижающая скорость бегущей волны вдоль оси ЛБВ до скорости, близкой к скорости электронов, для синхронного движения волны с электронным потоком (обычно используется металлическая спираль, жестко закрепленная продольными диэлектрическими опорами и отличающаяся слабой зависимостью скорости бегущей вдоль неё волны от частоты, благодаря чему достигается эффективное взаимодействие волны с электронным потоком в широкой полосе частот); фокусирующая система (периодическая система постоянных магнитов, соленоид или др.) для удержания магнитным полем электронного потока в заданных границах поперечного сечения по всей его длине; коллектор для улавливания электронов; ввод и вывод энергии электромагнитных колебаний; поглотитель энергии колебаний СВЧ на небольшом участке замедляющей системы для устранения самовозбуждения ЛБВ из-за отражений волн от концов замедляющей системы. Усиление СВЧ колебаний в ЛБВ происходит следующим образом: ускоренные в электронной пушке электроны влетают в пространство взаимодействия замедляющей системы. В это же пространство через ввод энергии усиливаемые СВЧ колебания. При определенной конфигурации металлических элементов замедляющей системы электрическое поле волны в пространстве взаимодействия имеет составляющую, направленную вдоль оси прибора, с которой и происходит взаимодействия электронов. В замедляющей системе осуществляется синхронизм электронов и волн.

В результате взаимодействия с электрическим полем бегущей волны тормозятся или ускоряются в зависимости от фазы электрического поля, при этом происходит модуляция электронного потока по плотности: образование сгустков, сопровождающаяся возбуждением в замедляющей системе электромагнитного поля, тормозящего электроны в пучке. При торможении электроны отдают свою энергию, увеличиваю поля волны, то есть, усиливая входной сигнал.

В зависимости от длины волны к ЛБВ малой мощности обычно относятся ЛБВ с выходной мощностью до 1-10 Вт.

1. Расчетная часть

1.1 Расчет геометрии замедляющей системы

Выбираем условный угол пролета ξав заданных пределах 1,61,8 . Расcчитываем средний радиус спирали замедляющей системы по формуле:

,(1.1)

гдеа - средний радиус спирали , см;

- длина волны, соответствующая середине рабочего диапазона, см;

- ускоряющее напряжение, В.

Длина волны , соответствующая середине рабочего диапазона определяется по формуле:

,(1.2)

(см),

тогда

(см).

Рассчитываем шаг спирали, используя формулу имеющую следующий вид:

,(1.3)

(см).

Используя соотношение , определили величину диаметра проволоки. Радиус проволоки выбирают малым по сравнению с шагом спирали для получения наибольшего поля, взаимодействующего с электронным потоком, поэтому

(см)(1.4)

Выбираем ближайший стандартный диаметр проволоки см.

Определяем радиус внешнего проводника (экрана) замедляющей системы из соотношения:

,(1.5)

Принимаем =1,5 (см).

Рабочая длина замедляющей системы рассчитывается из выражения:

,(1.6)

где - коэффициент усиления по мощности,

С - параметр усиления.

,(1.7)

где W – волновое сопротивление, Ом;

- ток системы, А.

Выбираем отношение радиуса потока к среднему радиусу спирали замедляющей системы:

,(1.8)

которое определяет наибольшее взаимодействие электронного потока с продольной составляющей .

Находим волновое сопротивление:

(Ом),

гдес - скорость света в вакууме, см/с;

- скорость электрона, см/с.

Величина плотности тока катода для малошумящих ламп меньше значений , поэтому ток системы:

,(1.9)

Выбираем плотность тока (мА/см²)

Радиус электронного потока:

(см),

тогда ток электронного потока:

(A).

Найденные значения W и определяют следующую величину параметра усиления:

Определяем величину : используя характеристическое уравнение, записанное для решения методом основ находим величину параметра А:

,(1.10)

где параметр объемного заряда 4Q при выбранных значениях и равен 7,2, тогда определяем величину .

,(1.11)

где - параметр расталкивания, рассчитанный по формуле:

,(1.12)

где - собственная частота колебаний электронного потока бесконечного сечения,

,(1.13)

(Гц).

Тогда

=0,011

Подставляя величины 4Q, и в выражение для получим:

,

тогда

,

.

Подставляем значения в уравнение, получаем:

.(1.14)

Первый корень уравнения =-0,12, , второй и третий корень находится из выражения:

.(1.15)

Определим параметр по формуле:

,(1.16)

.

Используя величину получим искомое значение для величины :

,(1.17)

.

Теперь

.

Протяженность активной части системы до поглощения:

,(1.18)

(см).

Протяженность поглотителя выбираем равной (см), тогда общая длина замедляющей системы при определении (см):

,(1.19)

(см).

Угол подъема спирали:

.(1.20)

1.2 Расчет дисперсионной характеристики и сопротивления связи

Под дисперсией понимают зависимость фазовой скорости волны от её частоты.

Используем выражения для расчета дисперсионной характеристики:

(1.21)

где - радиус замедляющей системы, см;

h - шаг спирали, см;

- длина волны, см.

Выражение можно записать в виде:

,(1.22)

учитывая что длина волны связана с частотой соотношения

откуда

,(1.23)

(см/с).

Рассчитываем сопротивление связи одиночной спирали:

,(1.24)

где - постоянная фазовая составляющая.

В ЛБВ используется нулевая гармоника, тогда S=0 поэтому:

,(1.25)

1.3 Расчет геометрии и рабочих параметров вывода и ввода энергии

При выполнении данного пункта рассчитаем взаимосвязанное звено между ЛБВ и линией связи. В качестве взаимодействующего звена взят трансформатор полных сопротивлений четырёхступенчатый.

Выберем коаксиал с сопротивлением равным 50 ОМ. Трансформатор используется для согласования системы в полюсе МГц.

Определяем среднюю длину волны рассчитываемого перехода:

,(1.26)

(см).

Этой длине волны соответствует определенная величина волнового сопротивления. Задаем необходимую трансформацию сопротивлений:

185 (Ом) до 50 (Ом).

Далее рассчитываем длину каждого трансформаторного участка:

,(1.27)

(см).

Необходимо определить масштабный множитель, который используется для нахождения местных коэффициентов отражения при значении:

,(1.28)

,

,(1.29)

.

Используя данные находим коэффициенты отражения

Волновое сопротивление отдельных ступеней трансформатора:

.(1.30)

Так как

,(1.31)

где - волновое сопротивление спирали, Ом.

С учетом определения:

,(1.32)

,(1.33)

,(1.34)

(Гц),

,(1.35)

.(1.36)

Откуда получаем, что:

,(1.37)

.(1.38)

Рассчитываем диаметры отдельных трансформаторных участков внутреннего проводника:

,(1.39)

,(1.40)

,(1.41)

где D - внутренний диаметр внешнего проводника, см.

1.4 Расчет величины индуктивности фокусирующего магнитного поля

В рассчитываемой лампы бегущей волны О-типа малой мощности фокусировка электронного пучка осуществляется магнитным полем, источником которого служит магнит. Он обеспечивает однородное продольное поле в лампе.

Индукцию магнитного поля рассчитываем по формуле:

,(42)

где - ток пучка, мА;

- рабочее напряжение, кВ;

- радиус пучка, мм;

- магнитная индукция, Гс.

(Гс).

Заключение

В данной курсовом проекте произведен расчет лампы бегущей волны О-типа малой мощности. Определена геометрия замедляющей системы и её характеристики - дисперсию и сопротивление связи. Рассчитаны геометрия и рабочие параметры вывода и ввода энергии, величина магнитной индукции, необходимая для фокусировки пучка. Выбрана спиральная замедляющая система, которая определяет широкополосность ЛБВ. В таких ЛБВ скорость распространения бегущей волны сохраняется практически постоянной при изменении частоты входного сигнала. Все проделанные расчеты произведены с применением ЭВМ. Составлена программа, позволяющая определить перечисленные параметры, а так же дисперсионную характеристику замедляющей системы в виде зависимости Представлен графический материал проектируемой ЛБВ.

Список литературы

1. Кацман, Ю. А. Приборы сверхвысоких частот./ Ю. А. Кацман. – М.: Высш.шк. 1973-382с.

2. Лошаков, Н. В., Пчельников, П. С. Расчёт и проектирование ЛБВ. – М.: Сов. радио, 1966-124с.

3. Цейтлин, М. Б., Кац, К. М. Лампа с бегущей волны. – М.: Сов.радио, 1964-311с.

4. Силин, Р. А., Сазонов, В. П. Замедляющие системы. –М.: Сов. радио, 1966-632с.

5. Лебедев, И. В. Техника и приборы СВЧ. –М.:Высш. шк .,1972 –

Т. 2. – 375с.

Приложение 1

program ST;

var

y,n,i: integer;

ln0, lnv, u0, g, et, l2, h1, j0, w, p, fma, fmi, ls, fs, a, h, d, r, rp, z, i0, s,

fom, a1, a2, alfa, ze, x2, l1, l0, z0, dli, t, aa2, g1, g2, zz1, zz2, dd1, dd2,

dv, dvh, ll, m, q4, rs, ar, pv, b1, b2, b, zv, ss: real;

infile, myfile: text;

const

c=3e10;

pi=3.14159;

procedure SchetDH;

begin

writeln (myfile, `дисперсионная характеристика `);

writeln (myfile, ` L,смС/Vф`);

n:= trunk ((lnv-ln0)/0.25)+1;

ll:=ln0;

ss:=h/sqrt(4*pi*pi*a*a*h*h);

for i:=1 to n do

begin

m:=sqrt(1-ss*ss/(a*a*8*pi*pi/ll)/ss);

writeln(myfile, ``, ll:8:5, ``, m:8:5)

ll:=ll+0.25;

end;

writeln;

end;

procedure SchetTPS;

begin

writeln (myfile, `промежуточный параметр а=`, а1:8:3);

writeln (myfile, `по нему определяем константы аlfa, z`);

readln (infile, alfa, ze);

x2:= a2*alfa*ze;

l1:=1.98e-3*ls*sqrt (u0)*(23+g)/(54.6*s*x2);

l0:=l1+l2;

b1:=3.5e-4*sqrt(i0)/sqrt(sqrt(u0));

b2:=1/(rs*sqrt(abs((rs*hi/100-rs)/rs)));

b:=b1*b2;

z0:=z;

dli:=ls/4;

p:=fma/fmi;

t:=-1/cos(pi*p/(1+p));

aa2:=2*(1-1/sqr(t));

g1:=0.5*ln(z0/zv)/(2+aa2);

g2:=aa2*g1;

zz1:=z0*exp(-2*g1);

zz2:=zz1*exp(-2*g2);

dv:=exp((-zv/138)*ln(10));

dd1:=exp((-zz1/138)*ln(10));

dd2:=exp((-zz2/138)*ln(10));

dvh:=exp((-z0/138)*ln(10));

end;

procedure SchetZS;

begin

fma:=c/ln0;

fmi:=c/lnv;

ls:=2*ln0*lnv/(ln0+lnv);

fs:=c/ls;

a:=3.14e-4*ls*et*sqrt(u0);

h:=39.6*a*a/(ls*(0.31+0.95*et)*(0.72+0.06*et));

d:=0.5*h;

r:=ln0/4;

rs:=15*ls/(2*pi*a);

z:=w*c/(5.93e7*sqrt(u0));

i0:=pi*0.25*a*a*j0;

s:=exp(1/3*ln((z*i0)/(4*u0)));

ar:=1.83e10*sqrt(j0)*sqrt(sqrt(u0))/(2*pi*5e9);

fom:=q4*s*s*s/(ar*ar);

a1:=-sqr(q4*s)*q4*s/sqr(1-fom);

a2:=-(1-fom)/(q4*s);

end;

procedure Input;

begin

writeln (`IN: диапазон рабочих длин волн (н/в), см`);

readln (infile, ln0, lnv);

writeln (`IN: напряжение второго анода, В`);

readln (infile, u0);

writeln (`IN: коэффициент усиления, дБ`);

readln (infile, G);

writeln (`IN: выходную мощность`);

readln (infile, pv);

writeln (`IN: угол пролета`);

readln (infile, et);

writeln (`IN: длину поглотителя см`);

readln (infile, l2);

writeln (`IN: коэффициент модуляции эл. пучка, %`);

readln (infile, hi);

writeln (`IN: плотность тока эл. пучка, А/см<sup>2</sup>`);

readln (infile, j0);

writeln (`IN: параметр 4q`);

readln (infile, q4);

writeln (`IN: параметр для определения волн. сопрот.`);

readln (infile, W);

writeln (`IN: входное сопротивление линии, Ом`);

readln (infile, zv);

end;

procedure OutRes;

begin

writeln(myfile, `данные замедляющей системы`);

writeln(myfile, `радиус спирали`, А:8:5, `см`);

writeln(myfile, `шаг спирали` h:8:5, `см`);

writeln(myfile, `диаметр проволоки` d:8:5, `см`);

writeln(myfile, `ток электронного пучка`, i0, `A`);

writeln(myfile, `сопротивление сязи` rs:8:5, `Ом`);

writeln(myfile, `общая длина замедляющей системы`, l0:8:5, `см`);

writeln(myfile, `магнитное поле`,b, `вб/см<sup>2</sup>`);

writeln(myfile);

writeln(myfile, `расчет ТПС`);

writeln(myfile, `волновое сопротивление зам. системы`, z:8:5, `Ом`);

writeln(myfile, `сопротивление 1-ой ступени`, zz1:8:5, `Ом`);

writeln(myfile, ` сопротивление 2-ой ступени`, zz2:8:5, `Ом `);

writeln(myfile, `длина участков`, dli:8:5, `см`);

writeln(myfile, `диаметр 1-й ступени`, dv:8:5, `см`);

writeln(myfile, ` диаметр 2-й ступени`, dd2:8:5, `см``);

writeln(myfile, ` диаметр 3-й ступени`, dd1:8:5, `см``);

writeln(myfile, ` диаметр 4-й ступени`, dvh:8:5, `см``);

end;

begin

assign (myfile, `resut. txt`);

assign (myfile, `inp. dat`);

reset(infile);

rewrite(myfile);

Input;

SchetZS;

SchetTPS;

SchetDH;

Outres;

Close(myfile);

Close(infile);

end.

промежуточный параметр а=-0.001

по нему определяем константы alfa, z

ДИСПЕРСИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

L, смС/Vф

4.5000017.60018

4.7500017.58604

5.0000017.57188

5.2500017.55771

5.5000017.54353

5.7500017.52933

6.0000017.51513

6.2500017.50091

6.5000017.48668

6.7500017.47244

7.0000017.45819

7.2500017.44393

7.5000017.42966

7.7500017.41537

8.0000017.40107

8.2500017.38676

8.5000017.37244

8.7500017.25811

9.0000017.34376

данные замедляющей системы:

радиус спирали: 0.07975

шаг спирали: 0.02811

диаметр проволоки: 0.014406

ток электронного пучка: 4.99561909282908Е-0005А

сопротивление связи: 179.60280 Ом

общая длина замедляющей системы:27.73414 см

магнитное поле: 3.20056068335627Е-0009вб/см²

расчет ТПС

волновое сопротивление зам. системы: 184.90302 Ом

сопротивление 1-й ступени: 184.93073 Ом

сопротивление 2-й ступени: 184.97229 Ом

длина участков: 1.5 см

диаметр 1-й ступени: 0.04565 см

диаметр 2-й ступени: 0.04567 см

диаметр 3-й ступени: 0.04570 см

диаметр 4-й ступени: 0.04572 см