2 Описание стенда

Стенд предназначен для исследования свойств СВЧ электромагнитных волн в пространстве. Стенд содержит СВЧ передатчик, который генерирует электромагнитные волны длиной 3,2 см, и приемник, который принимает эти волны и преобразует их в ток, измеряемый цифровым миллиамперметром. Внешний вид стенда показан на рисунке 4.

Передатчик состоит из блока питания, генератора и передающей антенны. Блок питания расположен в отдельном корпусе 1. На одну из стенок корпуса выведены три переключателя и разъем для питания генератора. Первый переключатель включает блок питания. Второй - подает напряжение на накал генератора. Третий - подает напряжение одновременно на резонатор и отражатель генератора.

В качестве генератора СВЧ колебаний используется отражательный клистрон. Отражательный клистрон представляет собой сверхвысокочастотный электровакуумный прибор, в котором энергия постоянного тока превращается в энергию высокочастотных колебаний путем модуляции электронного потока по плотности и последующего взаимодействия промодулированного потока с электромагнитным полем резонатора.

Рисунок 4 - Стенд для изучения свойств СВЧ колебаний:

1 – блок питания, 2 – СВЧ отражательный клистрон, 3 – СВЧ рупорная передающая антенна, 4 –СВЧ рупорная приемная антенна, 5 – приемная волноводно-детекторная секция, 6 – миллиамперметр.

Отражательный клистрон состоит из следующих основных узлов (рисунок 5):

• электронной пушки, формирующей электронный пучок;

• резонатора, в зазоре которого электроны взаимодействуют с высокочастотным полем;

• отражатель, в поле которого формируется модулированный по плотности электронный поток;

• вывода энергии, являющегося элементом связи с высокочастотным трактом.

Для начальной фокусировки электронного потока используется фокусирующий электрод. В данном клистроне фокусирующий электрод гальванически соединен с катодом, то есть имеет одинаковый с ним потенциал.

На подогреватель катода подается переменное напряжение 6,3 В.

На СВЧ резонатор клистрона подается положительное по отношению к катоду напряжение 300 В.

Резонатор в центральной части имеет отверстия, через которые электроны, вышедшие из катода, попадают в область между резонатором и отражателем. Эти отверстия закрыты прозрачными для электронов сетками, благодаря которым высокочастотное поле в этой части резонатора оказывается однородным. Область резонатора, в которой происходит взаимодействие электронного потока с высокочастотным полем резонатора, называют высокочастотным зазором резонатора.

Рисунок 5 - Схематическое изображение отражательного клистрона:

1 – катод; 2 – фокусирующий электрод; 3 – вывод энергии; 4 - резонатор; 5 – сверхвысокочастотный зазор; 6 – сетка резонатора; 7 - отражатель; 8 – электронный поток; 9 – подогреватель (нить накала)

На отражатель клистрона подается напряжение, отрицательное относительно катода, величина которого 70 В. В поле отражателя электроны тормозятся и возвращаются обратно в зазор резонатора.

Генерирование СВЧ колебаний в отражательном клистроне можно объяснить следующим образом. Поток электронов, ускоренный постоянным напряжением резонатора, попадает в высокочастотный зазор, где модулируется по скорости полем резонатора. Высокочастотное поле резонатора в течение одного полупериода ускоряет электроны, в течение другого – замедляет, а когда высокочастотное поле меняет знак, электроны практически не меняют скорость. Промодулированный по скорости электронный поток попадает в область между резонатором и отражателем, где модуляция электронного потока по скорости приводит к модуляции его по плотности – образуются сгустки электронов.

Попадая в зазор СВЧ резонатора, сгустки электронов или отдают свою энергию полю резонатора, или получают ее от поля резонатора. Генерация в клистроне будет продолжаться, если сгустки электронов попадают в поле резонатора в момент времени, когда высокочастотное поле является для них тормозящим, и генерация срывается, когда поле в момент попадания сгустков ускоряющее. Изменяя время пролета электронов в области отражателя, можно либо настроить клистрон в режим генерации, либо сорвать генерацию. Это осуществляется изменением напряжения на отражателе.

В качестве приемной и передающей антенны используется антенна типа «пирамидальный рупор». Схема антенны показана на рисунке 6.

Рисунок 6 - Пирамидальная рупорная СВЧ антенна

Для лучшего представления излучения и приема именно этого типа антенны рассмотрим распределение электрического и магнитного полей в антенне. Структура поля в Е- и Н- плоскости пирамидальной рупорной антенны изображена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Структура поля в Е- и Н- плоскости пирамидального рупора

Приемник (рисунок 4) смонтирован на прямоугольном волноводе. К одному концу волновода прикреплена пирамидальная рупорная антенна. На другом конце волновода установлена втулка, внутри которой вертикально расположен кремниевый точечный СВЧ диод типа Д-405 или ДК– С7М.

Верхней резьбой конец диода закреплен во втулке, а нижний его конец входит в гнездо, изолированное от волновода. Диод имеет возможность вертикально перемещаться для настройки приемника. К гнезду и угольнику, припаянному к волноводу, подведен экранированный одножильный кабель. Свободный конец кабеля подключен к зажимам цифрового миллиамперметра.

Конец волновода закрыт согласующей пробкой (металлический поршень), закрепленной сверху винтом. Настройка приемника с помощью согласующей пробки производится по максимуму СВЧ сигнала. Волновод закреплен на стойке, которая установлена на подставке. Приемник с рупорной антенной может передвигаться на любое расстояние от передатчика и поворачиваться вместе с подставкой вокруг горизонтальной оси.