Резонансні та сповільнювальні системи надвисоких частот, методи їх збудження.

Клистроны.(описаны выше)

Магнитрон. Электроны эмиттируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещённых электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по наружной поверхности окружности большего диаметра, в конкретном случае — по наружной поверхности катода). При достаточно высоком магнитном поле (параллельном оси магнетрона) электрон, движущийся по этой кривой, не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля силы Лоренца), при этом говорят, что произошло магнитное запирание диода. В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения уменьшается и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона увеличивается и он получает возможность достигнуть анода. Поскольку электрическое поле анод-катод совершает положительную работу только если электрон достигает анода, энергия всегда передаётся в основном от электронов к электромагнитной волне. Однако, если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг катода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находиться непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с ВЧ-полем и фазовая фокусировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и возможность получения больших мощностей.

 

 

Ультразвукове мікрозварювання, апаратура та застосування.

Ультразвукове зварювання (англ. Ultrasonic welding) При ультразвуковому зварюванні нагрівання місця контакту деталей відбувається за рахунок взаємного переміщення стиснутих деталей з ультразвуковою частотою, після утворення ювенільних поверхонь.

Область застосування

Мікрозварювання, елементи мікросхем, напівпровідники, пластмаси.

S=0,005÷3,0 мм(алюміній), D=0,01÷3,0 мм

Параметри

частота f=4÷100 кГц;

швидкість зварювання V=2÷15 мм/хв;

потужність P=20÷8000 Вт (50 кВТ);

тривалість зварювання t=0,1÷3 с;

зусилля F=5÷4000 Н.

Переваги способу

Як ніякий інший спосіб, дозволяє зварювати мікроскопічні деталі у твердій фазі.

Недоліки способу

Відносна складність устаткування, насамперед, акустичного вузла.

Екзаменаційний білет № 2

1. Критерії приймання рішення про наявність корисного сигналу: максимуму правдоподібності, максимума апостеріорної вірогідності, ідеального спостерігача.

2. Резонаторні системи пролітних та відбивних клістронів, їх характеристики та конструктивно-технологічні особливості.

3. Пайка, різновиди, засоби нагріву. Пайка хвилею припою.

 

3. Пайка — технологическая операция, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных материалов путём введения между этими деталями расплавленного материала (припоя), имеющего более низкую температуру плавления, чем материал (материалы) соединяемых деталей.

Пайка бывает низкотемпературная (до 450 °C) и высокотемпературная.

Пайка при помощи паяльника, Пайка газовым пламенем, Индукционная пайка, Пайка электроконтактным нагревом, Пайка погружением, Пайка кварцевыми лампами, Экзотермическая пайка, Пайка с приложением внешних сил, Пайка с наложением упругих колебаний.

Пайка волной припоя.

П айка волной припоя появилась в 60-е годы и в настоящее время достаточно хорошо освоена.

Она применяется только для пайки компонентов в отверстиях плат (традиционная технология), хотя с ее помощью можно производить пайку поверхностно - монтируемых компонентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых на одной из сторон коммутационной платы.

Процесс пайки прост.

Платы, установленные на транспортере, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки.

Затем плата проходит над волной припоя.

Сама волна, ее форма и динамические характеристики являются наиболее важными параметрами оборудования для пайки.

С помощью сопла можно менять форму волны; в наиболее простых установках для пайки применяется симметричная волна.

Однако лучшее качество пайки получается при использовании не симметричной формы волны (в виде греческой буквы "омега", Z-образную, Т-образную и др.)

Направление и скорость движения потока припоя, достигающего платы, также могут варьироваться, но они должны быть одинаковы по всей ширине волны.

Угол наклона транспортера для плат тоже регулируется.

Некоторые установки для пайки оборудуются дешунтирующим воздушным ножом, который обеспечивает уменьшение количества перемычек припоя.

Нож располагается сразу же за участком прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на коммутационной плате.

Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя.

Когда впервые появились коммутационные платы, с обратной стороны которых компоненты устанавливались на поверхность, их пайка производилась волной припоя. При этом возникло множество проблем, связанных как конструкцией плат, так и с особенностями процесса пайки, а именно: непропаи и отсутствие галтелей припоя из-за эффекта затенения выводов компонента другими компонентами, преграждающими доступ волны припоя к соответствующим контактным площадкам, а также наличие полостей с захваченными газообразными продуктами разложения флюса, мешающих дозировке припоя.

Пролётные клистроны.

Устройство пролётного клистрона

В клистроне имеются два объемных резонатора с ёмкостными сеточными зазорами. Первый резонатор называют входным, или модулятором; второй — выходным. Пространство между ними называют пространством дрейфа или группирования.

Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются постоянным напряжением второго электрода и попадают в узкий сеточный зазор первого резонатора, в котором имеется продольное СВЧ поле. Это поле периодически ускоряет и замедляет электроны, модулируя электронный поток по скорости. Двигаясь далее в пространстве дрейфа, электроны постепенно образуют сгустки за счёт того, что быстрые электроны догоняют медленные. Этот модулированный по плотности электронный поток попадает во второй резонатор и создает в нем наведенный ток той же частоты, что и частота входного модулирующего поля. В результате между сетками резонатора появляется высокочастотное электрическое поле, которое начинает взаимодействовать с потоком электронов. Необходимые параметры клистрона подбираются таким образом, чтобы электрическое поле второго резонатора тормозило сгустки электронной плотности и ускоряло её разряжения. В результате в среднем за период одного колебания поля тормозится большее число электронов, чем ускоряется. Кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний электромагнитного поля второго резонатора, а электроны, пройдя резонатор, оседают на коллекторе, рассеивая оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла.

Под КПД клистрона обычно понимается электронный кпд :

то есть отношение мощности , отданной электронным потоком СВЧ полю в выходном резонаторе на n -ой гармонике, к подведённой мощности

Отражательный клистрон.

Устройство отражательного клистрона

Отражательные клистроны предназначены для генерирования СВЧ колебаний малой мощности.

Отражательный клистрон имеет один резонатор, дважды пронизываемый электронным потоком. Возвращение электронов осуществляется с помощью отражателя, находящегося под отрицательным постоянным потенциалом по отношению к катоду. Таким образом, резонатор играет роль группирователя при первом прохождении электронов и роль выходного контура при втором прохождении. Промежуток между резонатором и отражателем играет роль пространства дрейфа, где модуляция электронного потока по скорости переходит в модуляцию по плотности.

Для того чтобы клистрон мог генерировать СВЧ колебания необходимо, чтобы сгустки электронного потока, сформированные при первом прохождении сквозь резонатор, проходили через резонатор при обратном движении в те моменты, когда в нём имеется тормозящее высокочастотное электрическое поле.

Ідентифікація сигналу

Завдання ідентифікації, як відзначалося, полягає в тому, щоб у результаті обробки прийнятого сигналу встановити, чи міститься в ньому корисний чи сигнал ні.

Нехай прийнятий сигнал є сумою корисного сигналу й завади

.

Інформаційний сигнал може приймати два значення: і з апріорними відповідно ймовірностями й . Тому що сигнал напевно має одне із цих двох значень, те справедливе співвідношення

Таким чином, можливі дві взаємно виключають (альтернативні) гіпотези: у прийнятому сигналі міститься корисний сигнал (гіпотеза ) і відсутній корисний сигнал (гіпотеза ). Вирішальний пристрій приймача за даними вибірки повинне встановити, яка із цих гіпотез є правдоподібною.

У геометричній інтерпретації поставлене завдання може бути сформульована в такий спосіб. Простір прийнятих сигналів V умовно розбивається на дві частини: область відповідному прийняттю гіпотези про те, що й область відповідному прийняттю гіпотези про те, що .

Це значить, що якщо вектор прийнятого сигналу виявиться в межах області те приймається гіпотеза . Якщо ж вектор сигналу виявиться в області , то приймається гіпотеза .

У цих умовах можуть мати місце два значення апостеріорної ймовірності : — умовна ймовірність наявності корисного сигналу X при даному значенні вибірки , — умовна ймовірність відсутності X при даному значенні вибірки .

Аналогічно можна розглядати два значення функції правдоподібності : умовна щільність імовірності вибірки при наявності корисного сигналу ; умовна щільність імовірності вибірки при відсутності .

Відношення функцій правдоподібності

прийнято називати відношенням правдоподібності.

Для вибору гіпотези або повинне бути взяте за основи певне правило прийняття рішень.

Вибір правила прийняття рішення в математичному відношенні зводиться до оптимальної розбивки простору прийнятих сигналів V на області й .

Для того щоб вибрати те або інше правило прийняття рішення, необхідно керуватися певними критеріями.

Критерій максимуму правдоподібності. Цей критерій формулюється в такий спосіб: найбільше правдоподібно те значення параметра X, для якого функція правдоподібності максимальна.

Відповідно до цього критерію у випадку двухальтернативної ситуації (виявлення сигналу) має два значення функції правдоподібності й і приймається та гіпотеза, який відповідає більше значення функції правдоподібності. Якщо, наприклад, то приймається гіпотеза . Якщо ж , то приймається гіпотеза .

Цей критерій можна записати в наступному вигляді через відношення правдоподібності:

якщо , то

при , то

Таким чином, відповідно до даного критерію методика прийняття рішення зводиться до наступного: обчислюються функції правдоподібності й , визначається відношення правдоподібності , і залежно від того, більше, дорівнює або менше одиниці приймається відповідна гіпотеза.

Критерій максимуму апостеріорної ймовірності. За цим критерієм при отриманому значенні вибірки приймається та гіпотеза, при якій апостеріорна ймовірність максимальна.

Для випадку двухальтернативної ситуації маються два значення апостеріорної ймовірності й . Звичайно розглядається відношення цих величин і правило прийняття рішення записується у вигляді:

якщо , то

якщо , то

Використовуючи формулу Байеса, виразимо відношення апостеріорних ймовірностей через відношення функцій правдоподібності

Тоді критерій максимуму апостеріорної ймовірності може бути в такий спосіб виражений через відношення правдоподібності:

якщо , то

якщо , то

Співвідношення можна представити у вигляді:

якщо , то

якщо , то

де - граничне значення відносини правдоподібності.

Таким чином, процедура прийняття рішення відповідно до критерію максимуму апостеріорної ймовірності така ж, як і відповідно до критерію максимуму правдоподібності. Відмінність полягає лише в тому, що в першому випадку відношення правдоподібності порівняється з одиницею, а в другому з відношенням апріорних ймовірностей При наявності апріорних даних і доцільно застосовувати критерій максимуму апостеріорної ймовірності, тому що при цьому є можливість користуватися додатковою інформацією, що дозволяє точніше вирішити завдання ідентифікації сигналу.

Критерій ідеального спостерігача (критерій Котельникова). Відповідно до даного критерію приймається та гіпотеза, при якій забезпечується мінімум загальної помилки прийняття рішення.

При рішенні завдання ідентифікації сигналу можуть мати місце помилки двох пологів:

1) при відсутності корисного інформаційного сигналу вектор прийнятого сигналу виявляється в області й приймається відповідно до цього гіпотеза ,

2) при наявності корисного сигналу вектор виявляється в області й приймається гіпотеза . Перша помилка називається помилкою першого роду, або «фіктивною тривогою». Друга помилка називається помилкою другого роду, або «пропуском сигналу». Кількісно помилки першого й другого роду оцінюються умовними ймовірностями й помилковими рішеннями про наявність корисного сигналу, коли в дійсності він відсутній, і про відсутність сигналу, коли в дійсності він є

Загальна безумовна ймовірність помилкового рішення визначається вираженням

Отже, умова оптимального рішення за критерієм ідеального спостерігача має вигляд

.

Цей критерій можна записати в наступному вигляді через відношення правдоподібності:

якщо , то

якщо , то

 

Білет №2

1. Критерії приймання рішення про наявність корисного сигналу: максимуму правдоподібності, максимума апостеріорної вірогідності, ідеального спостерігача.

1) Критерій максимуму правдоподібності:

Найбільш правдоподібне те значення параметра x, для котрого функція правдоподібності L(x) максимальна. Практична перевага даного критерію заклечається в тому, що для його використання не потрібні рішення апріорних ймовірностей p(x₁) і p (x₀) сигналу.

2) Критерій максимуму апостеріорної ймовірності:

При отриманому значені виборки y приймається та гіпотеза при котрій апостеріорна ймовірність p(x/y) максимальна. Правило використовується до всіх критеріїв і однаково зводиться до порівняння оптимальної правдоподібності λ з порогом значенням λ₀, відмінність тільки в величині λ₀. Тобто λ₀ визначає межу між областями ν₁ і ν₁.

3) Критерій ідеального спостерігача (Котельнікова):

Теорема Котельнікова – теорема, згідно котрої сигнал з обмеженим спектром частот можна поністю представити сукупністю відліків з тактовою частотою f_S =1/ T_S, перевищуючою неменше ніж в 2 рази найвищу частоту спектру сигналу.

2. Резонаторні системи пролітних та відбивних клістронів, їх характеристики та конструктивно-технологічні особливості.

Будова дворезонаторного пролітного клістрона зображена на рис. 3.2. Електронна гармата (1,2,3) створює вузький електронний потік із високою щільністю просторового заряду. Для більшої концентрації променя, тобто для зменшення його радіального розміру, за допомогою соленоїда (9) створюється постійне магнітне поле, спрямоване уздовж електронного потоку.

 

Електронний потік проходить через два резонатори (5) і (7), розділених простором дрейфу (6), у якому практично відсутнє високочастотне поле. Після проходження другого резонатора (7) електронний потік попадає на анод (8), де виділяє залишки своєї енергії у вигляді тепла. На електрод, що прискорює, (4) подається напруга +U_a, величина якої в залежності від потужності пролітного клістрона лежить у межах від сотень вольт до сотень кіловольт.

Як вхідний (5) і вихідний (7) резонатори часто застосовуються прямокутні і з коаксіальною симетрією (тороїдальні, біциліндричні, коаксіальні) резонатори. У малопотужних клістронах для забезпечення ефективної взаємодії електронного потоку з полем резонатора в ємкісній частині резонатора встановлюються спеціальні сітки. У потужних пролітних клістронах для збільшення коефіцієнта корисної дії, замість сіток, встановлюють пролітні труби.

При роботі клістрона як підсилювача високочастотна напруга подається на вхідний резонатор (5) за допомогою спеціальних елементів, наприклад, петель зв'язку. Вихідна потужність виводиться з вихідного резонатора (7) також за допомогою елементів зв'язку. Для зручності експлуатації усю високочастотну частину, включаючи резонатори, заземлюють, однак при цьому катод клістрона знаходиться під високою (до сотень кіловольт) напругою, що визначає підвищені вимоги до ізоляції катода щодо резонаторів.

 

Відбивний клістрон (рис. 3.11) складається з катода (1), прискорюючого електрода (2), резонатора (3) і відбивача (4).

Рис. 3.11.

На резонатор відносно катода подається позитивна прискорювальна напруга від джерела U_a, а на відбивач - негативна гальмуюча напруга від джерелаU₀. Під дією прикладеної між катодом і резонатором напруги U_p електронний потік, прискорюючись, здобуває від сіток резонатора (3) швидкість, рівну . Електрони, що пролітають крізь сітки резонатора, наводять струм, частота коливань якого дорівнює власній частоті резонатора. Наявність коливань струму в резонаторі приводить до утворення гармонійної напруги між його сітками: , отже, до утворення електричного поля НВЧ. Простір між сітками резонатора є областю взаємодії електронного потоку і поля НВЧ.

Електрони, що рухаються в прямому напрямку від катода до відбивача, пролітаючи область взаємодії, випробують дію поля НВЧ. У результаті цього відбувається модуляція за швидкістю. Розглянемо процес модуляції за швидкістю на просторово-тимчасовій діаграмі (рис. 3.12).

 

Електрони 1, 2, 3 потрапляють у простір між сітками в різні моменти часу зміни поля НВЧ. Так електрон 1, потрапляючи в позитивний напівперіод поля, збільшує свою початкову швидкість до значення v₁, електрон 3, потрапляючи в негативний напівперіод поля, трохи гальмується і здобуває швидкість v₃ електрон 2 потрапляє в область взаємодії в момент часу, коли u=0, і не змінює своєї швидкості: v₂=v_e0 v₁> v₂> v₃.

Тобто електронний потік, проходячи область взаємодії між сітками резонатора, модулюється за швидкістю полем НВЧ. Промодульований за швидкістю електронний потік потрапляє в постійне гальмуюче електричне поле між відбивачем і резонатором - простір групування електронів за щільністю. Під дією постійного гальмуючого поля електрони, що мають різні швидкості пролітають різні відстані z1, z2, z3 і повертаються в резонатор. Тому що електрони мають різну швидкість і пролітають різні відстані, то за певних умов вони можуть повернутися в резонатор одночасно, тобто може відбутися групування електронів за щільністю (утворення згустків і розріджень електронного потоку). Якщо згусток електронів, що утворився, потрапляє в простір взаємодії в момент, коли діє гальмуюче поле НВЧ, електрони віддають частину своєї енергії, збільшуючи енергію поля НВЧ. Варто врахувати, що поле НВЧ, що є прискорюючим для електронів, що летять від катода, для електронів, що летять від відбивача до резонатора, буде гальмуючим. Момент повернення згустків електронів до резонатора повинен збігатися з максимальним значенням електричної складової гальмуючого поля НВЧ. Це досягається шляхом зміни напруги на відбивачі клістрона. Спочатку утворені слабкі загасаючі коливання в резонаторі підсилюються за рахунок енергії, що віддається електронними згустками, і при виконанні умови стаціонарності в резонаторі встановлюються незатухаючі коливання.

 

3. Пайка, різновиди, засоби нагріву. Пайка хвилею припою.

Пайкою називається технологічний процес з’єднання двох деталей без їхнього розплавлення за допомогою введення між ними допоміжного розплавленого матеріалу (припою). Припій має нижчу температуру плавлення ніж матеріал з’єднувальний деталей. При охолодженні припій кристалізується і утворюється міцний зв’язок між заготовками.

Існують такі різновиди пайки: капілярна, дифузійна, контактно-реактивна, реактивно-флюсова, пайка-зварювання.

Спосіб виконання пайки класифікують по засобам нагріву, до них відносять: пайка в печах, індукційний, резистивний, зануренням, радіаційна, екзофлюсова, паяльниками.

Пайка хвилею припою використовується в основному при виготовлені односторонніх друкованих плат з використанням вивідних електрорадіокомпонентів. Плата на конвеєрі спочатку рухається через гребінь флюсу завширшки 1см і шириною 30 – 35 см. Після цього плата просушується гарячим повітрям. Потім плата проходить через гребінь припою, де і створюється з’єднання елементів з платою. Останнім етапом є охолодження плати для кристалізації припою.

Билет