МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра радиотехнической электроники

отчет

по лабораторной работе №1

по дисциплине «Микроволновая электроника»

Тема: «Исследование характеристик многорезонаторного усилительного клистрона»

Студенты гр. 8204: Дичковский Д. Ю. Овсянников А. И. Михайлов О. П.
Преподаватель	___________________	Коломийцев А. А.

Санкт-Петербург

2021

Цель работы: ознакомление с конструкцией прибора, измерение основных эксплуатационных параметров и исследование их зависимости от режимов работы.

Основные теоретические положения:

Для усиления СВЧ колебаний средней и большой мощности ( 10 Вт) в сравнительно узкой полосе частот ( < (0.1…5) %) используются многорезонаторные усилительные клистроны. Клистроны содержат в своей конструкции следующие основные элементы: устройство формирования электронного потока, включающее катод, управляющий электрод и анод; устройство управления, состоящее из входного резонатора с элементом связи и промежуточных резонаторов; устройство отбора мощности, представляющее собой выходной резонатор с элементом связи, вспомогательные устройства – магнитная или электростатическая фокусирующая система, коллектор электронов, вакуумная оболочка.

Клистрон является прибором, в котором энергия ускоренного электронного потока преобразуется в энергию СВЧ-колебаний. Ускорение потока до некоторой скорости происходит в пространстве «катод–анод», а далее поток электронов движется (дрейфует) по инерции до коллектора.

При этом: где – ускоряющее напряжение в вольтах, , – заряд и масса электрона.

Основными эксплуатационными параметрами клистрона, как и любого другого усилителя, являются: выходная мощность , коэффициент усиления и полоса рабочих частот , а также коэффициент шума . Эти параметры, за исключением , можно определить по амплитудной и амплитудно-частотной ( характеристикам. Типовые формы этих характеристик показаны на рис. 2.4 (а – амплитудная, б – амплитудно-частотная). Выделены синхронный режим при работе на центральной частоте (область I), синхронный режим при смещении рабочей частоты в сторону от резонансной (область II) и режим максимального КПД (кривая 3).

Рис.1

Коэффициент усиления клистрона определяется по формуле:

Другие параметры прибора: ток луча 60 мА, ускоряющее напряжение = 2,6 кВ, рабочая частота = 3300 МГц, КПД 50 % , = 40 дБ, 0.2 %.

Обработка результатов эксперимента:

Исследование зависимости формы АЧХ от уровня входной мощности:

Таблица 1. Зависимость формы АЧХ от уровня входной мощности.

АЧХ(N=70)
f, МГц	P, Вт
3307,4	0,5
3307,7	1,25
3308,6	2,5
3309,3	1,25
3309,7	0,5

Рис. 2 – Амплитудно-частотная характеристика усилителя в линейном режиме.

Расчеты:

Исходя из амплитудно-частотной характеристики, приведенной на рис.2, можно судить, что полоса рабочих частот, определенная по полуширине, составила .

Отношение в процентах составило:

.

Коэффициент усиления µ, значения которого для различных частот приведены в таблице 2, получен по следующему соотношению:

Аналогичным образом были получены остальные значения коэффициента усиления.

Зависимость коэффициента усиления от уровня входной мощности приведены на рис. 3.

Рис. 3 – Зависимость коэффициента усиления от уровня входной мощности

Коэффициент полезного действия получен в предположении, что вся мощность электронного луча расходуется на усиление входного сигнала:

Остальные значения КПД получены аналогичным образом.

Помимо этого, были рассчитаны значения угла пролета и коэффициента взаимодействия электронов с полем.

Угол пролета определяется соотношением:

, где v₀ – скорость электронного потока в разгоняющем поле, а z – расстояние между центрами зазоров соседних резонаторов.

Известно, что скорость электронов в разгоняющем поле записывается как:

, где U₀ – разгоняющее напряжение.

.

Тогда, если учесть, что расстояние между центрами зазоров соседних резонаторов равно 5 мм, получим, что угол пролета для частоты равен:

.

В таком случае, коэффициент взаимодействия для этой частоты: