Приборы СВЧ. Оптический диапазон

Задача №1.

В двухрезонаторном клистронном усилителе, работавшем в оптимальном режиме, изменили один из параметров. Требуется определить, как надо изменить другой параметр, чтобы получить ту же выходную мощность или как при этом измениться режим усиления.

Увеличили расстояние между сетками резонаторов 1 и 2 от d_1,2 до d_1,2*(1 + 0,1*m). Во сколько раз изменится выходная мощность, если первоначально q₁ = q₂ = p/2?

Решение: Изобразим на рисунке 1 конструкцию клистрона:

В клистроне имеются два объёмных резонатора с емкостными зазорами. Первый резонатор 3 называется входным или модулятором, а второй – 5 выходным. Пространство 4 между ними называется пространство дрейфа или группирования. Электроны, эмитируемые катодом 1, ускоряются постоянным напряжением U₀ электрода 2 и попадают в узкий зазор между сетками первого резонатора. Между ними имеется продольное высокочастотное электрическое поле, которое периодически ускоряет и замедляет электроны, т.е. модулирует скорость электронов.

В пространстве дрейфа быстрые электроны догоняют медленные, обеспечивая группирование электронов, т.е. преобразование модуляции электронного потока по скорости в модуляцию по плотности. Модулированный электронный поток поступает во второй резонатор и создаёт в нём наведённый ток, протекающий по внутренней поверхности его стенок. В резонаторе возникают колебания, а между его сетками появляется электрическое высокочастотное поле, которое должно вызывать торможение сгруппированных электронов. В выходном резонаторе кинетическая энергия тормозящихся электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний. Электроны, прошедшие через второй резонатор и отдавшие СВЧ полю часть своей кинетической энергии, попадают на коллектор 6, где рассеивают оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла.

Запишем формулу для выходной мощности клинстрона в исходном режиме:

, где:

I₀ – ток луча; J₁ – функция Бесселя 1 – го рода, 1 – го порядка; Х – параметр группирования; М₂ – коэффициент эффективности взаимодействия электронов с полем второго резонатора; R_Э – эквивалентное сопротивление второго резонатора.

В исходном режиме Х = Х_ОПТ. = 1,84.

При новых условиях изменяется значения углов q₁, q₂, а следовательно, и величины М₁ и М₂.

По условию задачи мощность на выходе в новом режиме должна быть постоянной:

, где

Следовательно, нам надо определить чему равно отношение:

.

Новое значение  = q₂*(1 + 0,1*m) =

Пользуясь графиком на рисунке 1 [3] получим:

;

Отношение

По графику 2 [3] определяем J₁(X^/) = 0.55; J₁(X₁) = 0.58

Тогда требуемое значение мощности на выходе в новом режиме:

 = P_ВЫХ.*

Ответ: Мощность на выходе уменьшится в 0.866 раза.

Задача №2.

Электроны, влетающие в замедляющую систему ЛБВ, имеют скорость V₀ = V_ф*(1 +                   + 0,02*m), где V_ф – фазовая скорость электромагнитной волны; m – предпоследняя цифра номера студенческого билета. Определите, на какую часть волны обгонит её сгусток, пройдя замедляющую систему с длиною L, если принять, что он движется равнозамедленно, при заданном КПД. Какую длину нужно выбрать, чтобы получить максимальную мощность на выходе?

n = 6: f = 9 ГГц; m = 2: L = 12см = 0.12 м; h = 12% = 0.12.

Решение: Изобразим на рисунке 2 конструкцию ЛБВ:

Электронная пушка 1 формирует электронный поток с определённым сечением и интенсивностью. Скорость электронов на входе в замедляющую систему 2 определяется ускоряющим напряжением U₀. С помощью фокусирующей системы 3 обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка на всём пути вдоль замедляющей системы. Электронная пушка, замедляющая система и коллектор 5 размещаются в металлостеклянном баллоне 7, а фокусирующая система расположена с наружи. На входе и выходе замедляющей системы есть специальные устройства 4 для согласования системы с линиями передачи. Кроме того, в замедляющую систему вводится поглотитель 6, выполненный в виде стержня из поглощающей керамики или в виде поглощающих плёнок, для предотвращения самовозбуждения. В простейшем случае напряжение на аноде электронной пушки U_A, замедляющей системе и коллекторе делается