ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.»

Институт Электронной Техники и Приборостроения

Кафедра «Электронные приборы и устройства»

Оценка работы ________________________

Члены комиссии _______________________

_______________________

Курсовой проект

на тему: «РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КЛИСТРОНА С ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТЬЮ 25 КВТ НА ЧАСТОТЕ 2,85 ГГЦ»

По дисциплине: «Физические основы электроники»



Саратов 2022

Оглавление

Введение	3
1 Теоретическая часть	4
2 Расчетная часть	8
2.1 Расчет входной мощности	8
2.2 Расчет ускоряющего напряжения и параметров пучка	8
2.3 Расчет скорости электронного пучка	9
2.4 Расчет в программе REZ-1	12
2.5 Расчет в программе Azimut	12
2.6 Расчет параметров выходного резонатора в программе DISKLY	16
Заключение	19
Список литературы	20

Введение

Клистроны являются весьма распространенным видом приборов СВЧ, получившим широкое применение в различной радиотехнической и электронной аппаратуре. Рассматриваемый нами вид – пролетные клистроны. У пролетных клистронов электроны перемещаются в одном направлении, пронизывая зазоры (сетки) одного или нескольких резонаторов.

---

Основными физическими процессами в клистронах являются: скоростная модуляция (сообщение отдельным электронам различных скоростей в зазорах резонатора); группирование (образование сгустков электронов); возбуждение переменным по плотности электронным потоком СВЧ напряжения на зазорах резонаторов. Клистроны бывают двух основных типов – пролётные и отражательные. Их отличие заключается в способе группировки электронов, вылетевших из резонатора. В пролётном клистроне электроны группируются в расположенной после резонатора трубе дрейфа, в которой отсутствует электрическое поле. Пролётные клистроны подразделяют на двухрезонаторные и многорезонаторные. Клистроны применяются во многих областях науки и техники и наибольшее распространение получили клистроны, имеющие более двух активных резонаторов. Разработанные к настоящему времени методы автоматизированного проектирования клистронов на основе дискретных моделей электронного потока позволяют довольно строго учесть реальные условия группирования электронов и их взаимодействие с полями. В данном курсовом проекте используется менее строгая методика, но позволяющая учесть основные нелинейные эффекты группирования электронов, и даёт возможность провести трудоемкие расчёты на ЭВМ.

1. Теоретическая часть

Один из самых старых классов вакуумных СВЧ-приборов - это клистроны. Тем не менее, они по-прежнему востребованы в радиолокации, системах связи, ускорительной технике, установках нагрева плазмы и продолжают совершенствоваться. Они могут обеспечивать большую выходную мощность, особенно на высоких частотах, меньшие уровни побочных излучений.

Клистроны являются электровакуумными приборами типа О, осуществляющими преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем. Клистроны используют принцип скоростной модуляции электронного потока и содержат один или несколько объёмных резонаторов. Применяются для усиления, генерации и умножения частоты.

Многорезонаторный усилительный клистрон.

В многорезонаторных клистронах между входным и выходным резонаторами помещают дополнительные ненагруженные резонаторы.

В качестве примера, поясняющего особенности их работы, достаточно рассмотреть пролетный пятирезонаторный клистрон (рис. 1).

---

Между входным и выходным резонаторами располагается 3 ненагруженных резонатора. Все резонаторы настроены на частоту входного сигнала. Как и в двухрезонаторном клистроне, во входном резонаторе электроны модулируются по скорости и далее группируются в первом пространстве дрейфа (l12). При слабом входном сигнале группирование электроновнезначительно и амплитуда первой гармоники конвекционного тока в сечении промежуточного резонатора также невелика.



Рис. 1. Многорезонаторный клистрон

Однако, поскольку ненагруженный промежуточный резонатор является высокодобротной системой, то даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение, создаваемое на его сетках, будет большим. Это напряжение вызывает сильную модуляцию скорости электронов во втором резонаторе и сильную группировку электронного потока во втором пространстве дрейфа (l23). В результате распределение электронов в сгустках их плотности будет определяться промежуточным резонатором и зависимость конвекционного тока в последнем резонаторе будет примерно такой же, как в двухрезонаторном клистроне, образованном промежуточным и последним резонаторами, но при модулирующем напряжении гораздо большим, чем модулирующее напряжение первого резонатора. При этом коэффициент усиления значительно увеличится, так как группирование электронов осуществляется при значительно меньшей амплитуде входного сигнала, подводимого к первому резонатору.

Однако максимальное значение амплитуды первой гармоники конвекционного тока, а, следовательно, максимальная выходная мощность и электронный КПД остаются такими же, как и в двухрезонаторном клистроне, т.е. предельное значение КПД составляет 58 %. Для увеличения КПД в многорезонаторных клистронах производится расстройка промежуточных резонаторов, где велико напряжение, создаваемое наведенным током (обычно это предпоследний резонатор). В то же время уменьшение выходной мощности и коэффициента усиления клистрона, возникающее при расстройке резонаторов, компенсируется увеличением количества резонаторов. (Коэффициент усиления примерно равен 15+20(N-2) дБ, где N – число резонаторов.) Теоретические расчеты показывают ([3]), что в этом случае (как и в случае связанных контуров) электронный КПД можно увеличить до 75 % и расширить полосу рабочих частот до нескольких процентов. На практике обычно применяют четырех-шестирезонаторные клистроны.

---

Применение многорезонаторных клистронов.

Многорезонаторные клистроны можно разделить на клистроны непрерывного действия и импульсные.

Обычно клистроны в непрерывном режиме применяются в выходных каскадах мощных передатчиков тропосферной связи дециметровых и сантиметровых волн с уровнями мощности 1–20 кВт и систем связи «Земля – спутник» с уровнем мощности до 50 кВт. Клистроны непрерывного режима работы мощностью 50–500 кВт (сверхмощные) применяются в передатчиках радиолокационных станций и станций управления на межпланетных расстояниях.

Многорезонаторные клистроны импульсного действия применяются в качестве оконечных импульсных усилителей в передатчиках радиолокационных станций с мощностью в импульсе до 200 кВт. Сверхмощные импульсные клистроны (до 30 МВт) применяются в ускорителях заряженных частиц и системах сверхдальней локации.

Большой интерес представляют клистроны с распределенным взаимодействием, у которых выходной резонатор (а иногда и промежуточные) заменен отрезком замедляющей системы из нескольких связанных резонаторов. Такие клистроны имеют более высокий КПД и более широкую полосу рабочих частот.

Цель работы: расчет и определение основных выходных параметров многолучевого клистрона с однозазорными резонаторами..

В работе проведено моделирование однозазорного клистрона с выходной мощностью 25 кВт и рабочей частотой 2,85 ГГц. Предназначен для использования в качестве усилителя с коэффициентом усиления 46 дБ.

Таблица 1. Исходные данные для расчета:

Параметр	Значение
Выходная мощность Pвых, кВт	25
Рабочая частота f0, ГГц	2,85
Полоса пропускания выходного резонатора ∆ f, МГц	10
Технический КПД клистрона η, %	38
Число лучей N	1
Количество зазоров резонатора	1
Коэффициент усиления Kус(u), дБ	46

2. Расчетная часть

2.1 Расчет входной мощности

Для расчета входной мощности

---

используем следующую формулу:

;

После преобразований получаем расчетную формулу:

2.2 Расчет ускоряющего напряжения и параметров пучка

При проектировании клистрона значениями выходной мощности и технического КПД обычно задаются.

Технический КПД клистрона определяется выражением:

где – контурный КПД выходного резонатора, – электронный КПД, – собственная добротность выходного резонатора, – нагруженная добротность выходного резонатора.

Для клистронов с двухзазорными резонаторами добротность можно выбрать равной 3000.

Величину нагруженной добротности можно найти из уравнения:

Определим величину контурного КПД:

Найдем из уравнения (3) требуемое значение электронного КПД:

---

Смотрите также файлы

• Внеклассное чтение По страницам басен А. И. Крылова (5 класс) Цели урока Регулятивные способность участвовать в речевом общении.pptx

• С оценкой 20г 20г тема работы экономика рыбной отрасли Канады. Курсовая работа по дисциплине Мировой рыбный рынок.docx

• Контрольная работа по географии За 20212022 учебный год Ученика (цы) 5 (А,Б) класса.docx

• Основная задача.docx

• Название материала.docx