Расчет лампы бегущей волны О-типа малой мощности

Расчет лампы бегущей волны О-типа малой мощности

Содержание

Введение

1 Расчетная часть

1.1 Расчет геометрии замедляющей системы

1.2 Расчет дисперсионной характеристики и сопротивления

Связи

1.3 Расчет геометрии рабочих параметров вывода и ввода энергии

1.4 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 нее 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 ξа В 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 ее 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 четырехступенчатый.

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 ее 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. Расчет 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, `дисперсионнаяхарактеристика`);

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 2 `);

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/см2 `);

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


Зараз ви читаєте: Расчет лампы бегущей волны О-типа малой мощности