Приборы магнетронного типа – генераторы и усилители СВЧ колебаний на основе криволинейных электронных пучков

ФИЗИКА И ТЕХНИКА СВЧ

Факультет физико-математических и естественных наук
Кафедра радиофизики
Обязательный курс

Объём учебной нагрузки: 60 час. – лекции, 60 час. – лабораторные работы

 

Цель курса

Назначение курса состоит в том, чтобы дать слушателям современные физические основы современной вакуумной СВЧ электроники. Несмотря на то, что за последние десятилетия твердотельная электроника все больше и больше завоевывает высокочастотную область, тем не менее, ряд принципиальных направлений в современной СВЧ электроники больших мощностей до настоящего времени подвластно только вакуумной электронике.

В основе курса лекций излагаются физические принципы усиления и генерации СВЧ колебаний при взаимодействии как прямолинейных, так и криволинейных электронных пучков с электромагнитными полями в резонансных или замедляющих электродинамических системах. Лабораторный практикум, проводимый параллельно с циклом лекций, направлен на теоретическое и практическое освоение студентами методов СВЧ техники и электроники.

 

Содержание курса

Введение

Предмет и задачи курса. Значение вакуумной СВЧ электроники для решения важных проблем электроники больших мощностей, а также в техническом освоении коротковолнового диапазона волн.

Физические основы электроники СВЧ: особенности работы электронных устройств с кратковременным (частотный резонанс) и длительным (пространственный резонанс) взаимодействием электронного пучка и электромагнитного поля; скоростная модуляция и фазировка. Основные уравнения электроники – уравнения движения электронов Лоренца, макроскопические уравнения Максвелла, плотности токов и зарядов. Лабораторные источники СВЧ мощности.

 

I. ПРИБОРЫ С КРАТКОВРЕМЕННЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ
ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА С ВЧ ПОЛЕМ

 

Усилительный клистрон

 

Теория группирования электронов в приборах клистронного типа. Исходные положения. Взаимодействие электронов с СВЧ полем в зазоре тороидального резонатора. Мощность взаимодействия СВЧ поля с электронным потоком в зазоре. Ток конвекции и наведенный ток. Баланс мощностей в стационарном режиме.

Двухрезонаторный пролетный клистрон – СВЧ усилитель

 

Общая характеристика явлений. Движение электронов в пространстве дрейфа пролетного клистрона. Параметры группирования. Динамический угол пролета, фаза группировки.

Гармонический состав конвекционного тока электронов, группирующихся в пространстве дрейфа. Выходная мощность, теоретический электронный К.П.Д. Многорезонаторный и умножительный пролетные клистроны. Типичные технические параметры и область применения клистронов.

 

Отражательный клистрон – СВЧ генератор

 

Принципиальная схема устройства. Сущность физических явлений в отражательном клистроне (ОК). Движение электронов в ОК. Углы пролета, параметр группирования и фаза группировки.

Гармонический состав тока конвекции в ОК. Оценка выходной мощности и электронный К.П.Д.

Эквивалентная схема ОК - одноконтурного генератора. Закон сохранения энергии в форме комплексных проводимостей для ОК. Баланс активных и реактивных мощностей и его применение для нахождения амплитуды установившихся колебаний и электронного смещения частоты. Зоны генерации, электронная перестройка и ее крутизна. Конструкции ОК, технические параметры и типичные применения.

II. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПРИБОРОВ СВЧ,
 ОСНОВАННЫХ НА ДЛИТЕЛЬНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С
ГРУППИРОВКОЙ ЭЛЕКТРОНОВ БЛАГОДАРЯ СКОРОСТНОЙ
МОДУЛЯЦИИ В НЕРЕЗОНАНСНЫХ ЗАМЕДЛЯЮЩИХ СТРУКТУРАХ

 

Нерезонансные замедляющие структуры

 

Медленные электромагнитные волны над поверхностью диэлектрика и металла с конечной проводимостью. Три типа волноведущих систем. Однородные и неоднородные замедляющие структуры. Прямые и обратные пространственные гармоники. Групповая и фазовая скорости медленных волн. Нормальная и аномальная частотные дисперсии фазовой скорости.

Замедляющие системы типа «диафрагмированного волновода» и «гребенки». Вывод характеристического уравнения, коэффициента замедления и распределения полей в этих системах. Неоднородные структуры типа «встречных штырей».

 

Принципы работы усилительной ЛБВ и генераторной ЛОВ

 

Схематическое устройство усилительной ЛБВ и ее технические параметры. Схематическое устройство генераторной ЛОВ. Амплитудные и фазовые условия самовозбуждения. Прямые и обратные гармоники. Цепь обратной связи. Возможности плавной широкополосной перестройки частоты генерации. Основные параметры ЛОВ и её применение.

 

Линейная теория ЛБВ типа О

 

Основные положения линейной теории. Электронные волны как результат сильной связи медленной синхронной волны и электронного пучка. Вывод самосогласованной системы уравнений для определения комплексного продольного волнового числа и функции поперечного распределения тока конвекции пучка в электронной волне.

Усредненные поля и характеристическое уравнение. Физические параметры теории: эффективная площадь поперечного сечения электронного пучка, удельное сопротивление связи пучка и волны, коэффициент депрессии сил пространственного заряда, усредненные по двум взаимодействующим сечениям электронного пучка нормальная и аномальная функции Грина, параметр усиления. Свойства функций Грина и их влияние на величину коэффициента депрессии и его зависимость от продольного волнового числа. Волны пространственного заряда. Редуцированная плазменная частота. Причины пространственной дисперсии.

Анализ решений характеристического уравнения в линейном приближении. Область параметров, зависящих от свойств замедляющей структуры и пучка, где существуют нарастающие электронные волны. Влияние пространственного заряда на структуру и свойства электронных волн. Механизм идеальной фазировки в ЛБВ.

III. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИБОРОВ СВЧ, ОСНОВАННЫХ НА ДВИЖЕНИИ ЭЛЕКТРОНОВ В СКРЕЩЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ

 

Приборы магнетронного типа – генераторы и усилители СВЧ колебаний на основе криволинейных электронных пучков

 

Многорезонаторный магнетрон. Виды траекторий электронов, синхронизм, образование сгустков, виды колебаний (p -вид), структура СВЧ поля в пространстве взаимодействия. Механизм передачи энергии электронов ВЧ полю. Частотный диапазон применения, уровень мощности, К.П.Д., область применения. Методы борьбы с перескоками частоты.

Коаксиальные магнетроны и ниготроны. Схемы устройства этих приборов и структура распределения в них электромагнитных полей. Платинотроны, ЛБВ и ЛОВ М- типа. Схемы устройства амплитрона, карматрона и ЛОВ типа - М и принципы работы. Технические параметры.