2 Изучение работы свч отражательного клистрона

Отражательный клистрон является маломощным автогенератором электромагнитных колебаний сверхвысоких частот. Относительно простая конструкция отражательного клистрона, возможность осуществления как амплитудной, так и частотной модуляции, возможность перестройки частоты определяют широкое применение этого прибора в качестве маломощного источника сигнала в измерительных генераторах, гетеродинных приемниках, радиопередатчиках и др.

Схема отражательного клистрона показана на рис. 1.

Р ис. 1.

На рис. 1. обозначены: 1 – катод, 2 – объемный резонатор, 3 – отражатель.

Отражательный клистрон имеет один резонатор, который находится по отношению к катоду под положительным потенциалом и выполняет три функции: модуляции электронного потока по скорости и отбора высокочастотной энергии от модулированного электронного потока, а также ускоряющего электрода. На отражатель подается отрицательное по отношению к катоду напряжение .

Отражательный клистрон является автогенератором, в котором колебания возникают вследствие шумовых флуктуаций в электронном потоке. За счет флуктуаций плотности электронного потока при его движении через зазор резонатора, происходит возбуждение в нем слабых колебаний, частота которых примерно равна частоте собственных колебаний резонатора . Возникающее при этом напряжение между сетками резонатора модулирует проходящий сквозь сетки поток электронов по скорости, который поступает затем в тормозящее электрическое поле между резонатором и отражателем. Электроны, двигаясь к отражателю, тормозятся вплоть до остановки, поворачивают обратно и возвращаются к резонатору уже в ускоряющем поле. При этом происходит группирование электронов в сгустки, которые пересекают зазор резонатора, двигаясь в направлении от отражателя к катоду. Если при этом сгустки проходят зазор, когда сверхвысокочастотное поле в нем является для них тормозящим, то они отдают свою энергию этому полю, поддерживая тем самым колебания в резонаторе. Таким образом, кинетическая энергия электронов, полученная ими от источника питания, преобразуется в энергию СВЧ колебаний.

Движение электронов в отражательном клистроне можно пояснить с помощью пространственно-временной диаграммы, показанной на рис. 2.

Невозмущенный электрон 2, попадая в тормозящее поле отражателя при некотором напряжении на нем , останавливается и, затем, ускоряясь, пересекает сетки резонатора, когда переменное напряжение является тормозящим и максимальным. При , где называется номером зоны генерации, невозмущенный электрон 2 попадает в тормозящее поле через ¾ периода СВЧ колебаний в резонаторе, что соответствует оптимальному углу пролета , и максимуму энергии, отдаваемой электроном резонатору.

Рис. 2.

Электрон 1, проходящий через зазор резонатора при своем движении к отражателю, когда напряжение на зазоре является ускоряющим, проходит в поле отражателя несколько больший путь и после остановки пересекает зазор одновременно с невозмущенным электроном 2. Электрон 3, проходящий через зазор к отражателю при тормозящем поле в зазоре совершает в поле отражателя более короткий путь, и после остановки пересекает зазор тоже одновременно с невозмущенным электроном. Таким образом, группирование потока электронов в сгусток происходит около невозмущенного электрона.

При некотором напряжении на отражателе сгусток, сформированный вокруг невозмущенного электрона 2, будет попадать в тормозящее поле через (1+3/4) периода СВЧ колебаний на резонаторе, что соответствует оптимальному углу пролета , т.е. .

В общем случае, максимуму отдаваемой энергии сгустком электронов резонатору соответствует оптимальный угол пролета

,

где .

Электроны, выходящие из катода, поступают в зазор, имея скорость, которая определяется напряжением , приложенным между катодом и резонатором:

.

В установившемся режиме автоколебаний переменное напряжение между сетками резонатора , причем . Из уравнения движения электрона в зазоре

,

где - расстояние между сетками (ширина зазора), - заряд и масса электрона, можно найти выражение для скорости электронов на выходе из зазора

.

В последнем выражении - время прохождения электронов через середину зазора; - коэффициент взаимодействия электрона с полем зазора; - средний угол пролета электронов в зазоре.

Зависимость фазы электрона , при прохождении им зазора в направлении от отражателя к катоду, от его фаз , при прохождении зазора от катода к отражателю, дается уравнением группирования

,

где - момент времени при прохождении электроном середины зазора в прямом направлении, а - при прохождении середины зазора в обратном направлении, - угол пролета невозмущенного электрона в поле отражателя, - параметр группировки.

Группирование электронов было бы идеальным, если бы электроны, проходящие через зазор от катода к отражателю в различные моменты времени , в пределах одного периода СВЧ колебаний на резонаторе , проходили бы через зазор, при своем движении от отражателя к катоду, одновременно, в некоторый момент времени .

Ток, обусловленный электронами, движущимися через зазор, т.е. конвекционный ток, описывается выражением

,

где - ток электронного пучка на входе резонатора.

Форма волны конвекционного тока зависит от параметра

Рис. 3.

группирования и при различных параметрах группирования имеет вид, показанный ни рис. 3.

При параметре группирования , конвекционный ток имеет форму импульсов, периодически следующих друг за другом, что говорит о наличии в нем большого числа гармоник.

Конвекционный ток можно представить в виде ряда

,

где - функция Бесселя первого рода -го порядка.

Амплитуда -й гармоники конвекционного тока

.

Резонатор отражательного клистрона настроен на первую гармонику частоты , которая эффективно взаимодействует с полем и имеет амплитуду

;

конвекционный ток, пронизывая зазор резонатора, создает в нем наведенный ток с амплитудой

,

где - коэффициент взаимодействия электронного пучка с зазором.

Мощность СВЧ колебаний отражательного клистрона в центре любой зоны генерации является наибольшей.

,

где - мощность, потребляемая клистроном от источника питания, - номер зоны генерации.

Как видно из последнего выражения, мощность генерируемых колебаний зависит от номера зоны генерации и от значения функции .

График зависимости от показан на рис. 4.

Рис. 4.

Функция достигает максимума при ; следовательно, активная мощность, отдаваемая электронным потоком резонатору, достигает максимума при , поэтому это значение параметра группирования является оптимальным.

Максимальный коэффициент полезного действия отражательного клистрона

.

При оптимальном значении параметра группирования , КПД равен

.

Мощность и частота СВЧ колебаний, генерируемых клистроном, зависят от напряжения на отражателе . Вид зависимостей и показаны на рис. 5.

Зависимость мощности от напряжения на отражателе имеет зонный характер. Максимального значения мощность достигает в центре каждой зоны. Изменение мощности в пределах зоны имеет косинусоидальный характер.

Относительное изменение частоты колебаний клистрона от напряжения на отражателе определяется выражением

,

где - добротность резонатора; - напряжение на отражателе, соответствующее центру зоны; - изменение напряжения на резонаторе относительно напряжения, соответствующего центру зоны.

Из последнего выражения следует, что зависимость частоты колебаний от напряжения на отражателе имеет тангенциальный характер (рис. 5).

Рис. 5

Скорость изменения частоты генерации при изменении напряжения на отражателе характеризуется крутизной электронной перестройки

.

Изменение частоты колебаний клистрона путем изменения напряжения на отражателе называют электронной перестройкой частоты. Диапазон электронной перестройки обычно составляет от средней частоты . Электронная перестройка частоты клистрона широко используется для частотной модуляции, которая осуществляется путем подачи на отражатель, наряду с постоянным напряжением, пилообразного напряжения. Частоту колебаний клистрона можно также изменять механически, путем изменения индуктивности или емкости резонатора. Диапазон такой перестройки от средней частоты.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Исследование отражательного клистрона производится на установке, схема которой показана на рис. 6.

В работе исследуется отражательный клистрон типа К-27 трехсантиметрового диапазона с внутренним объемным резонатором. Источники питания 2 и 3 обеспечивает подачу на электроды клистрона необходимых напряжений. Источник 2 обеспечивает постоянное напряжение -300 В на катоде клистрона относительно резонатора, который заземлен, и переменное напряжение 6,3 В для питания накала. Регулируемый стабилизированный источник 3 обеспечивает постоянное напряжение на отражателе относительно катода, которое может изменяться в пределах от 0 до -150 В и контролируется вольтметром 4.

Р ис. 6.

Генерируемые клистроном СВЧ колебания с помощью петли связи 5 выводятся из объемного резонатора в волноводный тракт 6 и через вентиль 7, направленный ответвитель 8, переменный аттенюатор 9 подаются на термисторную головку 10 измерителя мощности 11. Часть энергии СВЧ колебаний, выделяемой направленным ответвителем, подается на резонансный волномер 12. Подстройку волноводного тракта можно осуществлять с помощью подвижного короткозамыкателя 13. аттенюатор 9 служит для развязки волноводного тракта от измерителя мощности перед его калибровкой.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с экспериментальной установкой и входящими в нее приборами. Описание приборов дано в приложении к работе.

2. Подготовить экспериментальную установку к выполнению работы, для чего:

   1. ручки «плавно» и «точно» на стабилизированном источнике 3 / В/ вывести в крайнее левое положение;

   2. включить тумблеры «сеть» источников питания и измерителя мощности и дать им прогреться в течение 5 - 10 минут;

   3. включить тумблер «клистрон» на источнике питания 2.

3. Произвести измерение мощности колебаний , генерируемых клистроном в пределах каждой из зон генерации, в зависимости от напряжения на отражателе .

Измерение характеристик производится в следующей последовательности:

1. при полностью введенном аттенюаторе 9, произвести установку нуля измерителя мощности II, а затем вывести полностью аттенюатор и произвести отсчет величины измеряемой мощности; указанную операцию производить при каждом измерении мощности;

2. изменяя ручкой «плавно», расположенной на стабилизированном источнике питания 3, напряжение на отражателе , добиваться возникновения генерации (о наличии генерации судят по показаниям измерителя мощности II);

3. изменяя ручками «плавно» и «точно» напряжение на источнике питания 2, снять зависимость во всех зонах генерации клистрона; при этом для дальнейшего построения зависимости необходимо, чтобы в каждой зоне было снято не менее 7 точек (см. рис. 7);

Рис. 7.

4. по результатам измерений построить графическую зависимость для всех зон генерации.

4. Произвести измерение длины волны колебаний, генерируемых клистроном в зависимости от напряжения на отражателе .

Измерение длины волны в пределах каждой зоны производится волномером 12 при напряжениях на отражателе, соответствующих максимальной и половинной мощности (см. рис. 7) в каждой зоне генерации.

По результатам измерений построить зависимость частоты генерируемых колебаний от напряжения на отражателе .

5. Пользуясь графиком , определить диапазон электронной перестройки на уровне половинной мощности и крутизну электронной перестройки.

6. Для зоны с наибольшей генерируемой мощностью вычислить по величине электронной перестройки значение нагруженной добротности резонатора (расчетная формула приведена в описании к лабораторной работе).

7. Для каждой из зон генерации рассчитать теоретический (соответствующий центру каждой зоны) и реальный коэффициент полезного действия.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Схема лабораторной установки.

2. Таблицы и графики зависимостей и .

3. Рассчитанные по результатам измерений и из графиков величины.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объяснить устройство и принцип работы отражательного клистрона.

2. Объяснить процесс группирования электронов в клистроне с помощью пространственно-временной диаграммы.

3. Что такое оптимальный угол пролета электронов?

4. Какими способами можно изменять частоту отражательного клистрона?

ЛИТЕРАТУРА

1. И.В.Лебедев. Приборы и техника СВЧ. Высшая школа, М., 1972.

2. Н.Д.Федоров. Электронные и квантовые приборы СВЧ. Атомиздат., М., 1979.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ М3-10А (мост термисторный Я2М-64)

Термисторный мост типа Я2М-64предназначен для измерения малой мощности непрерывных и импульсных модулированных СВЧ колебаний с помощью термисторных головок. Частотный диапазон СВЧ колебаний, в котором могут производиться измерения, определяется термисторными головками.

1. Прибор имеет следующие пределы измерения:

5; 15; 50; 150; 500; 1500; 5000; 7500 мкВт.

2. Основная погрешность прибора не превышает

,

где - предел измерения в мкВт;

- показания прибора в мкВт.

Принцип действия прибора основан на автоматическом замещении поглощенной мощности СВЧ мощностью постоянного тока, эквивалентной по тепловому воздействию на измерительный рабочий термистор. Для измерения и непосредственного отсчета замещающей СВЧ мощности применен специальный ферродинамический измеритель. Система температурной компенсации обеспечивает малый дрейф нуля, не более 0,3 мкВт за 15 сек., во всем рабочем интервале температур. Основу всего прибора составляет двойной мост, предназначенный для развязки токов подогрева и замещения. Двойной мост состоит из моста питания и измерительного моста, являющегося плечом моста питания. К измерительной диагонали измерительного моста подключен вход следящей системы тока компенсации. Ток подогрева обеспечивается высокостабильным источником постоянного тока.

В качестве отсчетного прибора используется ферродинамический измеритель, включенный в схему так, что его отклоняющий момент пропорционален СВЧ мощности, воздействующей на рабочий термистор.

ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ

При неправильном обращении с прибором могут выйти из строя термисторные головки и другие элементы моста, поэтому перед включением прибора необходимо убедиться, что органы управления находятся в следующем положении:

1. тумблер «Сеть» выключен,

2. термисторная головка подключена к соответствующим зажимам моста,

3. переключатель «Рабочее сопротивление» находится в положении, соответствующем паспортному значению термистора для используемой головки (330 Ом),

4. переключатель «Установка нуля» «Грубо» находится в положении «13»,

5. переключатель «Пределы измерения» в положении 7500 мкВт,

6. переключатель «Температурная компенсация» в положении «10»,

7. переключатель «КП термистора» на отметка «93»,

8. тумблер «ФУ» в положении «Вкл. ФУ».

ВКЛЮЧЕНИЕ ПРИБОРА ПРОИЗВОДИТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ ПОРЯДКЕ:

1. включить тумблер «Сеть» и дать прибору прогреться в течение 10 мин.,

2. ручками «Установка нуля грубо», «среднее», «точно» установить нуль выходного прибора,

3. выставить необходимый предел измерения ручкой «пределы измерения», переходя от большего предела к меньшему, устанавливая ручками «среднее», «точно», если это требуется, нули выходного прибора,

4. подать на вход термисторной головки измеряемую мощность СВЧ и произвести отсчет.

ВОЛНОМЕР (ЧАСТОТОМЕР ВСТРОЕННЫЙ В СВЧ ГЕНЕРАТОР)

Волномер предназначен для измерения длины волны от 38,4 мм до 26,8 мм, т.е. может быть использован в диапазоне частот от 7800 МГц до 11200 МГц.

Точность измерений или ниже МГц.

Основной частью волномера является коаксиальный резонатор, длина

Рисунок 1.

которого изменяется перемещением закорачивающего поршня (рис. 1).

Такой резонатор длиной резонирует на частотах, для которых

,

где ; м/с – скорость света, а и - длина волны и частота.

Для одной и той же частоты колебаний можно найти несколько резонансов в данном резонаторе, для чего нужно изменять его длину, смещая поршень на целое число полуволн. Очевидно, что ближайшие резонансные настройки отстоят друг от друга на расстоянии полуволны, величина которой отсчитывается в миллиметрах по шкале смещения резонатора. Момент настройки волномера в резонанс определяется по минимуму тока детектора, измеряемого микроамперметром.

РАБОТА С ПРИБОРОМ

1. Вращая ручку «ЗАТУХАНИЕ» в направлении «МЕНЬШЕ», добейтесь небольших показаний индикаторного прибора (10–15)мкА.

2. Пользуйтесь ручкой «НАСТРОЙКА ДЕТЕКТОРА», добейтесь максимальных показаний индикатора. Одновременно следует повернуть ручку «ЗАТУХАНИЕ» в сторону «БОЛЬШЕ», поддерживая показания индикатора вблизи единицы шкалы.

3. Вращая ручку волномера, расположенную сбоку прибора, добиться первого резонансного минимума в показаниях индикатора (момент настройки в резонанс соответствует резкому уменьшению показаний индикаторе примерно вдвое). Осторожно поворачивая ручку волномера вблизи резонансного положения, установить минимум показаний по возможности точнее.

Прочесть и записать показания волномера на двух лимбах, которые дают положение настройки в миллиметрах. При этом на левом лимбе отсчитывают целые значения миллиметров и их половинки, а на правом – десятые и сотые доли миллиметра.

4. Вращая дальше ручку волномера, добейтесь следующего резонанса. Соответствующее второму резонансу показание волномера можно не записывать.

Продолжая вращать ручку волномера в прежнем направлении, добиться третьего резонанса и записать показания волномера . Измеряемая длина волны равна разности снятых показаний, т.е.

, мм

5. Перевод значений длины волны в значения частоты можно произвести, пользуясь формулой

, МГц , мм.