Скачать презентацию Дисциплина Основы радиолокации и построения ЗРК ЗРС Тема Скачать презентацию Дисциплина Основы радиолокации и построения ЗРК ЗРС Тема

Тема 3 Занятие 4.ppt

  • Количество слайдов: 22

Дисциплина: Основы радиолокации и построения ЗРК(ЗРС) Дисциплина: Основы радиолокации и построения ЗРК(ЗРС)

Тема № 3: Электронные приборы. ЗАНЯТИЕ № 4: Приборы сверхвысокой частоты (СВЧ). Тема № 3: Электронные приборы. ЗАНЯТИЕ № 4: Приборы сверхвысокой частоты (СВЧ).

Учебные и воспитательные цели: 1. Изучить особенности конструкции приборов СВЧ. 2. Изучить устройство и Учебные и воспитательные цели: 1. Изучить особенности конструкции приборов СВЧ. 2. Изучить устройство и принцип работы пролетного и отражательного клистронов. 3. Изучить устройство и принцип работы лампы бегущей волны. 4. Изучить устройство и принцип работы многорезонаторного магнетрона. 5. Воспитывать у студентов дисциплинированность и организованность в ходе занятия.

Литература: 1. Дружинин В. В. «Справочник по основам радиолокационной техники» , стр. 282 -294. Литература: 1. Дружинин В. В. «Справочник по основам радиолокационной техники» , стр. 282 -294. 2. Жеребцов И. П. «Основы электроники» , стр. 304 -322. 3. Галлямов А. Р. , Ромашкин А. А. , Сагула А. И. «Электронные приборы и импульсные устройства РЛС» , стр. 70 -78. 4. Фогельсон Б. И. «Основы радиотехники и радиолокации» , стр. 131 -137.

Учебные вопросы: 1. Особенности конструкции приборов СВЧ. 2. Устройство и принцип работы пролетного клистрона Учебные вопросы: 1. Особенности конструкции приборов СВЧ. 2. Устройство и принцип работы пролетного клистрона и отражательного клистрона. 3. Устройство и принцип работы лампы бегущей волны. 4. Устройство и принцип работы многорезонаторного магнетрона.

Особенности конструкции приборов СВЧ. Появление специальных приборов, работающих в диапазоне СВЧ, вызвано тем, что Особенности конструкции приборов СВЧ. Появление специальных приборов, работающих в диапазоне СВЧ, вызвано тем, что обычные электронные лампы в этом диапазоне работают неэффективно. В диапазоне свыше 300 МГц (диапазон СВЧ) на работу ламп влияет ряд факторов: 1. время пролета электронов в межэлектродном пространстве (инерция электронов). 2. межэлектродные емкости и распределенные индуктивности электродов также влияют на частоту генерируемых и усиливаемых колебаний. Эти факторы в усилителях вызывают искажение усиливаемого сигнала, а в генераторах не позволяют добиться генерирования частоты колебаний диапазона СВЧ. Вышеперечисленных недостатков лишены специальные приборы СВЧ: клистроны, магнетроны, ЛБВ.

Работа генераторов СВЧ диапазона основана на том, что электроны приобретают кинетическую энергию от постоянного Работа генераторов СВЧ диапазона основана на том, что электроны приобретают кинетическую энергию от постоянного электрического поля, созданного источником питания, и передают часть своей энергии электромагнитному полю СВЧ за счет торможения в этом поле. Принцип работы СВЧ - приборов основан на полезном использовании времени движения электронов, которое может быть равно единицам и даже десяткам периодов рабочей частоты. В СВЧ - приборах поток электронов управляется динамически. Электрическое СВЧ - поле используется здесь для изменения скорости электронного потока, а не его плотности. Лишь со временем, в процессе дальнейшего движения электронов, в результате разности их скоростей в электронном потоке образуются сгущения и разрежения.

На рисунке показано устройство, состоящее: из катода, ускоряющего электрода и резонатора. При постоянном и На рисунке показано устройство, состоящее: из катода, ускоряющего электрода и резонатора. При постоянном и равномерном потоке электронов энергетический баланс СВЧ поля и электронного потока будет равен нулю. Это значит, при неизменном положении векторов скоростей электронов, в течение половины периода колебания СВЧ-поля электроны будут тормозиться в нем, а в течение следующей – ускоряться.

Образование сгустков электронов. Если электронный поток промодулирован по скорости и электроны летят сгустками, то Образование сгустков электронов. Если электронный поток промодулирован по скорости и электроны летят сгустками, то время прихода первого сгустка электронов и временные интервалы между сгустками можно выбрать такими, чтобы электроны попадали в резонансную систему только в те моменты, когда поле для них тормозящее. Энергетический баланс для каждого сгустка теперь станет положительным. Электроны взаимодействуют с пульсирующим СВЧ полем, сосредоточенным между сетками резонатора.

Есть приборы, в которых движущийся сгусток электронов взаимодействует с движущейся в пространстве электромагнитной волной. Есть приборы, в которых движущийся сгусток электронов взаимодействует с движущейся в пространстве электромагнитной волной. Это приборы длительного взаимодействия (ЛБВ). Также используются приборы, в которых электроны движутся в продольных электрическом и магнитном полях (отражательные клистроны). Приборы, в которых используются скрещенные (взаимно перпендикулярные) электрические и магнитные поля (магнетрон). Вывод: 1. Для того, чтобы энергия, передаваемая СВЧ-полю, была больше энергии, отбираемой электронами у него, необходимо, чтобы плотность потока электронов была неравномерной. 2. Необходимо решить задачу автоматической модуляции потока электронов по скорости, которая переходит в модуляцию по плотности, т. к. ускоренные электроны догоняют заторможенные и образуют сгустки. 3. Для того, чтобы эти сгустки электронов отдавали энергию СВЧполю, необходимо, чтобы они попадали в максимум тормозящего поля.

Устройство и принцип работы пролетного клистрона. Клистро н — электровакуумный прибор, в котором преобразование Устройство и принцип работы пролетного клистрона. Клистро н — электровакуумный прибор, в котором преобразование постоянного потока электронов в переменный происходит путём модуляции скоростей электронов электрическим полем СВЧ (при пролёте их сквозь зазор объёмного резонатора) и последующей группировки электронов в сгустки (из-за разности их скоростей) в пространстве дрейфа, свободном от СВЧ поля. В пролётном клистроне электроны последовательно пролетают сквозь зазоры объёмных резонаторов. В простейшем случае резонаторов 2: входной и выходной. 1. Подогреватель; 2. Катод; 3. Фокусирующий электрод; 4. Ускоряющий электрод; 5. Первый резонатор (группирователь); 6. Петля связи; 7. Второй резонатор (улавливатель); 8. Коллектор. Резонаторы имеют сетки, через которые электроны пролетают к коллектору. Пространство между сетками резонаторов называется пространством дрейфа или пространством группирования. Коллектор, резонаторы и ускоряющий электрод соединены с корпусом и на них подается положительное напряжение. На управляющую сетку подается отрицательное напряжение фокусировки, которым обеспечивается фокусировка электронов в узкий луч.

Область применения: 1. В качестве усилителей напряжения и мощности. 2. В качестве умножителей частоты. Область применения: 1. В качестве усилителей напряжения и мощности. 2. В качестве умножителей частоты. 3. В качестве автогенераторов. ДОСТОИНСТВА Пролётный клистрон может усиливать мощность в десятки раз. Серьезный недостаток клистрона заключается в том, что его КПД, представляющий собой отношение полезной колебательной мощности в резонаторе Р 2 к мощности постоянного тока анодного источника, не выше 20%.

Устройство и принцип работы отражательного клистрона. Отражательный клистрон является маломощным автогенератором сантиметровых и дециметровых Устройство и принцип работы отражательного клистрона. Отражательный клистрон является маломощным автогенератором сантиметровых и дециметровых волн. Он состоит из: 1 - рефлектор (отражатель); 2 - объемный резонатор; 3 – катод; 4 - сетки резонатора; 5 - настроечный винт; 6 - ускоряющий электрод; 7 – выход. Отражательный клистрон. Как генератор отражательный клистрон характеризуется двумя особенностями: Во-первых, его КПД очень мал и лежит в пределах 0, 03 -3%. Это не позволяет его использовать в качестве мощного генератора, но не является препятствием для использования в качестве маломощного генератора. Во-вторых, отражательный клистрон может до 107 раз в секунду изменять частоту при изменении напряжения на отражателе. При этом мощность расходуется на управление меньше, чем при любом другом способе.

Вывод: при небольшом КПД своей работы отражательные клистроны способны генерировать колебания СВЧ – диапазона Вывод: при небольшом КПД своей работы отражательные клистроны способны генерировать колебания СВЧ – диапазона в широком спектре частот, при этом потребляемая ими мощность сравнительно не велика.

Устройство и принцип работы лампы бегущей волны Лампа бегущей волны была впервые создана Рудольфом Устройство и принцип работы лампы бегущей волны Лампа бегущей волны была впервые создана Рудольфом Компфнером в 1943 году (по другим сведениям в 1944). Лампа бегущей волны (ЛБВ) — электровакуумный прибор, в котором для генерирования и/или усиления электромагнитных колебаний СВЧ используется взаимодействие бегущей электромагнитной волны и электронного потока, движущихся в одном направлении Лампы бегущей волны подразделяются на два класса: ЛБВ типа О и ЛБВ типа М. В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем. Магнитное поле в таких лампах направлено вдоль направления распространения пучка и служит лишь для фокусировки последнего. В приборах типа М в энергию СВЧ поля переходит потенциальная энергия электронов, смещающихся в результате многократного торможения и разгона от катода к аноду. Средняя кинетическая энергия при этом остается постоянной. Магнитное поле в таких приборах направлено перпендикулярно направлению распространения пучка.

Лампа бегущей волны (ЛБВ) применяется в качестве широкополосного усилителя: а) во входных каскадах приемников Лампа бегущей волны (ЛБВ) применяется в качестве широкополосного усилителя: а) во входных каскадах приемников как усилители с малым коэффициентом шума; б) в промежуточных каскадах как лампы малой и средней мощности; в) в выходных каскадах передатчиков непрерывного и импульсного действия как мощные лампы. а – схема усилителя; б – устройство лампы: К – катод; У – управляющий электрод; А 1 - первый анод; А 2 – второй анод; С – соленоид; Т – трубка арматуры; 1 – вход; 2 – выход; 3, 4 – штыревые антенны; 5, 6 – согласующие устройства; 7 – коллектор; 8 – спираль; 9 – электронная пушка; 10, 13 – спиральные антенны; 11 - слой аквадага ( ослабитель обратных волн); 12 – держатели спирали – стеклянные или керамические трубочки; 14 – вывод коллектора; 15 – схемное обозначение.

Распределение электрического поля бегущей волны в спирали в некоторый фиксированный момент времени: А – Распределение электрического поля бегущей волны в спирали в некоторый фиксированный момент времени: А – тормозящая область поля; Б - ускоряющая область поля. Наличие длительного взаимодействия ЭМ волны и электронного потока позволяет получить у ЛБВ малой и средней мощности на выходе мощность в доли и единицы Ватт, а на выходе мощных ЛБВ мощность может достичь 10 МВт в импульсе. КПД для маломощных ЛБВ составляет около 15%, а для мощных 35 – 55%. Коэффициент усиления ЛБВ растет: -с увеличением тока луча, -длины спирали до оптимальных размеров для конкретной лампы, -фокусирующего поля и ускоряющего напряжения.

Ширина полосы пропускания зависит от: - дисперсионной характеристики замедляющей системы, -ширины полосы пропускания входного Ширина полосы пропускания зависит от: - дисперсионной характеристики замедляющей системы, -ширины полосы пропускания входного и выходного устройств. Дисперсионной характеристикой называется зависимость фазовой скорости волны от частоты. Недостатками рассмотренной ЛБВ являются ее большой вес и большие габариты, обусловленные применяемой магнитной фокусировкой магнитного луча в лампе. Эти недостатки устранены в ЛБВ с электростатической фокусировкой: спиратроне и эстиатроне. В спиратроне замедляющая система располагается в цилиндрическом конденсаторе, к которому приложено фокусирующее напряжение. В эстиатроне применяется несколько простейших фокусирующих систем, каждая из которых состоит из двух анодов. Вывод: ЛБВ нашли широкое применение в приемо-передающих трактах РЛС благодаря своим достоинствам: низкому уровню шумов, большему коэффициенту усиления, чем в клистронах, широкой полосой пропускания сигналов. Приборы СВЧ данного типа нашли широкое применение в качестве входных, выходных и промежуточных широкополосных усилителей и умножителей чистоты.

Устройство и принцип работы многорезонаторного магнетрона. Магнетрон - это мощный генератор СВЧ, в котором Устройство и принцип работы многорезонаторного магнетрона. Магнетрон - это мощный генератор СВЧ, в котором движение электронов происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Основными элементами магнетрона вляются: катод, анодный блок с резонаторами и устройство вывода высокочастотной энергии. Катод - подогревный, оксидный, имеет форму цилиндра и располагается по оси анодного блока. Обладает высокой удельной эмиссией, большой механической прочностью оксидного слоя, высокой электро и теплопроводностью поверхности. Это достигается Материал: вольфрам, тантал. специальной конструкцией катода. Анодный блок - массивный блок из электролитической меди, по окружности которого расположены объемные резонаторы. Резонаторы могут быть конструктивно выполнены в виде цилиндров, секторов и прямоугольных щелей. Число резонаторов от 6 до 40, причем всегда четное. Чем выше частота генерации, тем больше резонаторов и тем меньше их объем.

Пространство между катодом и анодом называется пространством взаимодействия. Здесь происходит обмен энергий между электронным Пространство между катодом и анодом называется пространством взаимодействия. Здесь происходит обмен энергий между электронным потоком и СВЧ - полем. Устройство вывода энергии зависит от длины волны и мощности магнетрона. В зависимости от рабочей длины волны применяются три типа устройства вывода: - коаксиальный (при >10 см); - коаксиально-волноводный (при 3 < < 10 см); - волноводный (при < 3 см). Для того, чтобы колебания были незатухающими необходимо рассортировать электронный поток на "полезные" и "вредные" электроны и исключить из него "вредные". А для создания колебаний значительной мощности необходимо сфокусировать "полезные" в сгустки. Обе задачи решаются автоматически, за счет взаимодействия электронов с переменным электрическим полем под щелью. При движении в тормозящем поле, электроны отдают полю кинетическую энергию, которую они приобрели за счет постоянного поля, т. е. за счет источника анодного питания.

Энергия, отдаваемая Энергия, отдаваемая "полезными" электронами больше энергии, отбираемой "вредными ", по следующим причинам: 1. Время взаимодействия "полезных" электронов с СВЧ полем резонаторов значительно больше времени взаимодействия "вредных" электронов. 2. Вследствие того, что "полезные" электроны сфокусированы в сгусток, они движутся далее в благоприятной фазе и испытывают, таким образом, наибольшее торможение, т. е. одновременно попадают в максимальное тормозящее поле резонаторов. "Вредные" же электроны, рассеяны, поэтому движутся в неблагоприятных фазах. 3. Напряженность поля резонаторов в районе катода меньше, чем вблизи анода, поэтому "вредные" электроны, которые движутся только вблизи катода, за один цикл движения отбирают меньше энергии, чем отдают ее за один цикл движения "полезные" электроны.

Для настройки магнетрона наиболее часто используют стержни, перемещаемые внутри цилиндрических резонаторов и изменяющие их Для настройки магнетрона наиболее часто используют стержни, перемещаемые внутри цилиндрических резонаторов и изменяющие их объем, а значит и собственную частоту. В настоящее время многорезонаторные магнетроны изготавливаются на частоты 400 -100000 МГц, т. е. на длины волн примерно от 3 мм до 7, 5 дм и используются в передатчиках РЛС в качестве генераторов СВЧ колебаний большой мощности. Вывод: многорезонаторные магнетроны представляют собой важнейшие электронные приборы для генерации колебаний СВЧ большой мощности и широко используются в передатчиках РЛС.