3.4. Установка и методика проведения измерений по определению добротности

В предлагаемой работе исследуются характеристики индуктивно-щелевого резонатора с одной щелью. Размеры элементов резонатора: t=0,2; w=0,4; Z=10; 2r=5; 2R=10; n=1. Также измеряются характеристики прямоугольного резонатора, в котором возбуждаются моды TE₁₀₁ и TE₁₀₂. Длина перестраиваемого резонатора подбирается экспериментально в ходе работы.

Определение добротности проводится по резонансной характеристике исследуемых резонаторов по схеме, изображенной на рис.6. Для этих целей используется панорамный измеритель КСВН типа Р2 – 61.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Ознакомьтесь с описанием прибора Р2 – 61.

2. Включите прибор и подключите к измерительной линии индуктивно-щелевой резонатор.

3. По наблюдаемой резонансной кривой резонатора измерьте полосу пропускания резонатора, резонансную частоту, определите добротность.

4. Подключите к измерительной линии прямоугольный резонатор. Перестраивая длину резонатора, начиная с наименьших значений, получите изображение 2–х резонансных кривых на экране блока развертки частоты, определите добротность резонатора для двух типов колебаний.

5. Вычислите теоретическое значение добротности для исследуемых резонаторов, а также резонансную частоту. Определите тип колебаний прямоугольного резонатора.

6. Напишите отчет о работе с необходимыми рисунками, пояснительным текстом, результатами измерений и расчетов.

Литература

1. Пул Ч. Техника ЭПР – спектроскопии. М.: Мир, 1972.

2. Froncisz W., Hyde J. S., The Loop – Gap Resonator: A New Microwave Lumped Circuit ESR Snapple Structure. J. Of Magn. Res. 47, 515 – 521 (1982).

Лабораторная работа № 4. Отражательный клистрон

Цель работы: изучить принцип действия генератора СВЧ-колебаний - отражательного клистрона.

Приборы и оборудование: клистрон с блоком питания, волномер Ч2-32, генератор Ч3-123, осциллограф С1-68, детекторная секция с микроамперметром.

4.1. Принцип действия отражательного клистрона

Клистрон - электронный прибор для усиления и генерации колебаний СВЧ диапазона. Отличительной чертой клистрона является генерация колебаний путем модуляции электронного пучка по скорости и группирование электронов в сгустки. При этом конечное время пролета электронов, сравнимое с периодом колебаний, которое в лампах обычного типа препятствует увеличению рабочей частоты, в клистронах используется как основа рабочего процесса.

Схема отражательного клистрона представлена на рис.1. Электроны, эмитируемые подогревным катодом, ускоряются напряжением резонатора в сторону зазора тороидального СВЧ резонатора. В этом зазоре электроны подвергаются действию электрического СВЧ-поля, которое в один полупериод ускоряет электроны, а в другой - тормозит их. Таким образом возникает модуляция электронного пучка по скорости. Модулированный пучок попадает в пространство отражателя (или дрейфовое пространство). Здесь более быстрые электроны догоняют более медленные электроны впереди группы и отрываются от медленных сзади (рис.2).

Так как отражатель клистрона находится под отрицательным потенциалом по отношению к резонатору, сгустки электронного пучка замедляются и затем возвращаются к зазору. На рис.3 приведены графики пути для нескольких характерных электронов, а также эпюра колебаний электрического поля в зазоре. Электроны 1 и 5 вылетают из резонатора с максимальной начальной скоростью. Они проходят наибольший путь и находятся наибольшее время в пространстве отражателя. Электроны 3 и 7 имеют минимальную скорость и минимальное время пребывания в пространстве отражателя. Путь и время электронов 2 и 6 соответствуют отсутствию модуляции по скорости, и эти электроны являются центральными. Следовательно, электроны, вылетевшие в разное время из зазора, возвращаются в него одновременно, образуя сгусток. Процесс образования сгустков называется группированием электронов. При определенных соотношениях между временем пролета электронов в пространстве дрейфа и частотой сгустки электрического пучка будут возвращаться в зазор в такой фазе, что электрическое поле в зазоре будет тормозящим для них, отбирая при этом их энергию. Условие самовозбуждения клистрона требует, чтобы время движения электронов в дрейфовом пространстве отражателя составляло примерно периодов СВЧ, где - целое число.

Рис.1. Схема отражательного клистрона: 1-отражатель; 2-резонатор с сетками; 3-катод с подогревателем, 4 - вывод СВЧ мощности.

Рис. 2. Изменение плотности электронного потока в пространстве отражателя

Рис. 3. Пространственно-временная диаграмма преобразования модуляции по скорости в модуляцию по плотности методом тормозящего поля

Рис.4. Диаграмма изменения мощности и частоты в зонах генерации отражательного клистрона

Рис. 5. Изменение мощности в отражательном клистроне при модуляции. Схема модуляции по отражателю

Это можно сделать, подбирая напряжение отражателя. При напряжении отражателя, соответствующем попаданию сгустков в ускоряющую фазу поля, поток отбирает энергию от поля, и колебания возбуждаться не будут.

Таким образом, зависимость мощности генерации от напряжения отражателя имеет вид, изображенный на рис.4. Существуют области возбуждения колебаний, разделенные областями, где генерация отсутствует. Области возбуждения колебаний называются зонами генерации.

Зависимость мощности генерации клистрона от напряжения на отражателе используется на практике для осуществления амплитудной модуляции в клистроне. На рис.5 представлены графики, иллюстрирующие принцип модуляции и типовая схема включения модулирующего сигнала. Важным моментом является то, что модуляция может осуществляться сигналом малой мощности, т.к. ток отражателя практически равен нулю.