книги из ГПНТБ / Вальднер, О. А. Техника сверхвысоких частот. Учебная лаборатория учеб. пособие

ветствует линейному частотному масштабу. В схеме предусмот­ рен второй резонатор с добротностью в несколько раз выше доб­ ротности экспериментального резонатора. Он предназначен для измерения частоты генератора.

Связь высокодобротного резонатора с основным трактом: можно менять с помощью установленного перед ним аттенюа-

Рис. 79. Функциональная схема экспериментальной установки.

тора. Обычно в качестве такого резонатора используются цилин­ дрические резонаторы на волне # 0и с нагруженной добротно­ стью 20 000 ±30 000, что позволяет проводить абсолютные из­ мерения частоты с погрешностью +0,05%.

Задание и порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с аппаратурой, относящейся к работе. Под­ готовить приборы к работе в соответствии с инструкциями и включить их на прогрев.

2.Получить на экране осциллографа неискаженную область генерации клистрона, середина которой должна соответствовать рассчитанной резонансной частоте колебаний типа Ет . Для этого сначала следует заменить в схеме рис. 79 эксперименталь­ ный резонатор на детекторную головку коаксиального типа с широкополосной поглощающей нагрузкой на конце. Затем уста­ новить по градуировочным таблицам частоту высокодобротного резонатора, равную расчетной частоте. Меняя амплитуду пило­ образного напряжения, настройку генератора, величины развя­ зок, получить на экране осциллографа области генерации кли­ строна с провалом от высокодобротного резонатора посредине. Глубину провала можно регулировать аттенюатором, стоящим перед высокодобротным резонатором.

150

3. Измерить собственную частоту экспериментального резо­ натора. Собрать схему рис. 79. Процедура измерений состоит в следующем. Изменить резонансную частоту генератора до полу­ чения на экране осциллографа Q-кривой исследуемого резона­ тора. Затем настраивают высокодобротный резонатор на часто­ ту, равную резонансной частоте экспериментального резонато­ ра. При этом осциллограмма будет иметь вид рис. 80, а, т. е. в ■середине резонансной кривой отмечают «провал».

Рис. 80. Резонансные кривые резонатора с частотной меткой.

4. Определить нагруженную добротность экспериментально­ го резонатора без диэлектрика. Для этого сместить метку от вы­ сокодобротного резонатора последовательно влево и вправо от вершины резонансной кривой до половинного уровня, как это изображено на рис. 80, б и в, и подсчитать по градуировочным ■кривым резонансные частоты /і и /г- Нагруженная добротность резонатора

ком. Это достигается перестройкой частоты генератора и ручки настройки высокодобротного резонатора до получения вновь

■осциллограммы вида рис. 80, а.

6. Измерить добротность резонатора с диэлектриком. Про­

7. Провести измерения, аналогичные указанным в п. 5 и 6, для диэлектрика из другого материала.

Оформление отчета

1.Начертить схему установки и дать краткую характеристи­ ку основных приборов, использованных в работе.

2.Рассчитать по данным измерений относительную диэлек­

трическую проницаемость и тангенс угла потерь для всех об­ разцов.

151

3. Оценить точность измерения диэлектрической постоянной, если погрешность изготовления размеров резонатора составляет- ±30 мка, а допуск на размеры образца ±0,1 мм.

4. Определить погрешность измерения тангенса угла потерь..

Факультативное задание

Оценить рост погрешности определения е при увеличении диаметра об­ разца, для чего взять четыре образца разных диаметров и провести из­ мерения.

Контрольные вопросы

ны Иоіі).

6.Изобразите схему измерения добротности резонатора по методу передачи.

7.От чего зависят минимальное и максимальное значения добротности, которую можно измерить по схеме рис. 79?

8.От чего зависит точность измерения 8?

9.От чего зависит точность измерения tg б?

10.Объясните, почему рассчитанное в предварительном задании значениедобротности для волны Еою отличается от экспериментально найденного.

Рекомендуемая аппаратура 10-см диапазона

1. Генератор Г4-9. 2. Осциллограф С1-54. 3. Усилитель широкополосный УЗ-7А. 4. Аттенюатор Д5-17. 5. Детекторная головка Э7-11. 6. Поглощающая, нагрузка Э9-13/2. 7. Высокодобротный резонатор ЭК-10. 8. Эксперименталь­ ный резонатор со сменным диэлектриком (нестандартный).

Р а б о т а 19 *

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОБРОТНОСТИ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ РЕЗОНАТОРОВ

Общие положения

Применение сверхпроводящих материалов позволяет создать СВЧ-резонаторы с величиной добротности порядка ІО7—10й. Подобные резонаторы могут с успехом использоваться для ста­ билизации частоты автогенераторов и создания эффективных ускоряющих структур. Поведение сверхпроводников в условиях.

152

.высокочастотных, электромагнитных полей несколько отличает­ ся от их свойств на постоянном токе. Известно, что сопротивле­ ние проводника на постоянном токе при определенной темпера­ туре, называемой критической Тк, скачком уменьшается до нуля. В переменных полях изменение сопротивления не имеет скач­ кообразного характера, а при уменьшении температуры сопро­ тивление сверхпроводника плавно уменьшается, не достигая нулевого значения даже при абсолютном нуле. Учитывая этот характер изменения сопротивления сверхпроводников, нетрудно понять, что добротность СПР при любой низкой температуре всегда остается конечной, хотя и большой величиной.

В настоящее время для изготовления СПР наиболее широко применяются свинец с критической температурой 7,2° К и нио­ бий с Ті;= 9,2° К. Свойства резонаторов, выполненных из этих материалов, в значительной степени зависят от технологии по­ лучения и обработки поверхности. Для реализации предельных значений величин добротностей исходные материалы обычно подвергают очистке путем многократной переплавки в элек­ тронно-лучевых печах в условиях глубокого вакуума (10~9 торр). Высокая чистота поверхности резонатора достигается методами химической или электрохимической полировки, после которой необходим дополнительный отжиг при низком давлении и зна­ чительной температуре.

Ниобий, имеющий более высокую критическую температуру и лучшие технологические свойства, оказывается предпочтитель­ нее, чем свинец. СПР, выполненные на основе ниобия, могут работать при больших уровнях СВЧ-мощности и иметь боль­ шую добротность, значение которой при указанных технологи­ ческих приемах удается довести до ІО11 (Г=1,2° К). Экспери­ ментальное определение добротности СПР представляет тех­ нически сложную задачу. При очень малой ширине резонансной кривой СПР необходимая для измерений стабильность частоты генератора не может быть обеспечена обычной радиоизмерительной аппаратурой. Поэтому определение добротности произ­ водят методом декремента затухания при медленном свипировании частоты измерительного генератора, исключающем воз­ можность «проскакивания» резонансной частоты СПР. В мо­ мент равенства частоты генератора резонансному значению час­ тоты СПР обрывают режим генерации колебаний подачей на генератор запирающего импульса с крутым фронтом, а^ затем наблюдают изменение амплитуды собственных колебаний резо­

натора.

Представляя исследуемый резонатор в виде эквивалентного колебательного контура (см. рис. 21), нетрудно показать, что изменение амплитуды тока во времени можно записать в виде

где /0—начальная амплитуда тока в момент, запирания генера­

153

тора; R — приведенное эквивалентное активное сопротивление,

сучетом связи; L — эквивалентная индуктивность контура. Величину RI2L легко связать с добротностью резонатора Q:

колебаний, определяемая временем уменьшения начальной ам­

плитуды в е раз/ Для наблюдения характера изменения амплитуды колебаний:

резонатора используют ту или иную схему детектирования. Если предположить, что при малых уровнях ВЧ-мощности характе­ ристика детектора является квадратичной, то регистрирующий

t=x, при котором мощность сигнала Р будет равна Ро/е, то не­

Значение собственной частоты можно найти только приближен­ но с помощью частотомера, включенного в тракт по адсорбцион­ ной схеме.

Предварительное задание

1. Определить резонансные частоты несвязанного резонатораг на видах колебаний £ою и Яць Размеры резонатора задаются преподавателем.

2. Определить постоянную времени т резонатора, имеюще­ го собственную частоту 10 Ггц и добротность QH=108.

Описание экспериментальной установки

Функциональная схема установки изображена на рис. 8L ВЧ-сигнал от измерительного генератора через развязывающий аттенюатор и волноводно-коаксиальный переход поступает в исследуемый резонатор. Наблюдение резонансной кривой и ха­ рактера изменения амплитуды колебаний резонатора осущест­ вляется с помощью детекторной головки и осциллографа. Изме­ рительный генератор работает в режиме частотной модуляции при подаче на модулирующий электрод пилообразного напря­ жения от генератора. Срыв колебаний генератора и запуск жду­ щей развертки осциллографа производятся прямоугольным им­ пульсом напряжения от генератора импульсов, запуск которого, в свою очередь, производится сигналом с детекторной головки в момент резонанса исследуемого резонатора.

154

Исследуемый резонатор выполнен из ниобия, сверхпроводя­ щее состояние которого достигается глубоким охлаждением до температуры^ 4,2 К. Резонатор с системой тонкостенных подво­ дящих линий помещен в криостат, во внешнюю полость кото­ рого заливается жидкий азот, а во внутреннюю — жидкий гелий.

Рис, 81. Функциональная схема экспериментальной установки для определения добротности СПР.

Задание и порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с аппаратурой экспериментальной установ­ ки. Проверить правильность соединений блоков по функцио­ нальной схеме.

2.Включить измерительный генератор согласно инструкции. После необходимого прогрева установить в режиме непрерыв­

ной генерации расчетное значение частоты для колебаний вида

-£оіо- 3. Включить осциллограф и генератор пилообразного напря­

жения. Перевести измерительный СВЧ-генератор в режим ча­ стотной модуляции (свипирования). Медленно изменяя ча­ стоту настройки генератора, добиться появления на экране ос­ циллографа изображения резонансной кривой резонатора. С по­ мощью механизма подстройки установить связь резонатора с передающими линиями на минимальную величину, удобную для наблюдения на экране осциллографа.

4. Перестраивая частотомер, получить метки частоты на ре­ зонансной кривой и оценить значение собственной частоты и добротности резонатора. Оценку добротности произвести мето­ дом отсчета частот по полувысоте резонансной характеристики.

155

зонансной частоты и добротности резонатора, охлажденного до> температуры жидкого азота. Измерения резонансной частоты вести до полного охлаждения'резонатора, т. е. до получения стационарного значения частоты.

6. С помощью двустенного сифона залить жидкий гелий изпереносного сосуда Дьюара во внутреннюю полость криостата. Следует помнить, что гелий можно заливать лишь в случае пол­ ного охлаждения криостата до температуры жидкого азота. В первый момент заливки происходит бурное испарение гелия,., постепенно спадающее с понижением температуры ванны и ре­ зонатора. Газообразный (испаренный) гелий должен собираться при этом в специальную оболочку. Гелий заливается до тех: пор, пока уровень его не достигнет заданной отметки — на 10—15 см выше подвески резонатора. Уровень гелия проверяет­ ся специальной трубкой с мембраной по указанию преподава­ теля.

7. После прекращения бурного кипения гелия возобновить операцию по контролю резонансной кривой на экране осцилло­ графа, подстраивая частоту измерительного генератора. Момент

и соответствующим сужением ширины резонансной характери­ стики.

8. Включить генератор прямоугольных импульсов. Отрегу­ лировать положение управляющих органов аппаратуры для по­ лучения временной характеристики затухания «свободных» ко­ лебаний резонатора. Особое внимание обратить на настройку режима запуска генератора прямоугольных импульсов, осцил­ лографа и 'смесителя, запирающего СВЧ-генератор в момент резонанса. Замерить постоянную времени затухания иссле­ дуемого резонатора. Замерить собственную частоту резо­ натора.

9. По окончании работы выключить электронную аппарату­ ру согласно инструкции.

Оформление отчета

1. Начертить функциональную схему установок, на которых проводились измерения.

2.Привести графики изменения амплитуды свободных коле­ баний резонатора от времени.

3.Привести сводку экспериментальных данных по опреде­ лению добротности и измерению резонансных частот в виде таб­ лицы для различных температур (Т —300, 77 и 4,2° К).

Факультативное задание

Измерить добротность СПР на колебании вида # ш

156

ПРИЛОЖЕНИЯ

I. ПОРЯДОК г р а д у и р о в к и д е т е к т о р н ы х го л о в о к

И КАЛИБРОВКА ИХ В ПРОЦЕССЕ ИЗМЕРЕНИЙ

Процесс градуировки детекторных головок начинают с градуировки де­ тектора измерительной линии. Для этого выходной фланец измерительной линии закорачивают с помощью металлической пластины. В линию подают

ние минимума (г„Иц) и максимума (гМакс) стоячей волны в линии. Найдя

градуировке детекторных головок 2 и 3 их совместно с аттенюаторами по­ очередно подсоединяют к выходному фланцу измерительной линии. КСВ го­ ловок и аттенюаторов не должен превосходить 1,1. Регулируя уровень мощ­ ности в схеме, с помощью аттенюаторов измерительного генератора сопо­ ставляют показания индикаторного прибора градуируемой головки и прибора измерительной линии. По результатам такого сопоставления строят зависимости тока прибора головок (/2 и / 3) от напряженности поля £, ис­ пользуя градуировочную кривую 1 = 1 (Е).

Перед непосредственным измерением напряженности поля Е или мощ­

съемную крышку циркулятора с ферритом на крышку без феррита, превра­ тив, таким образом, циркулятор в обычный симметричный тройник;

б) установить выбранный предел измерения приборов на измерительной линии (головка 1) и головок 2 и 3;

в) подать на линию ВЧ-мощность от генератора, плавно выводя его ат­ тенюаторы так, чтобы ток головки линии соответствовал приблизительно 50% шкалы прибора. Проверить по волномеру соответствие частоты за­ данному значению и подстроить чувствительность линии ее подстроечными элементами на максимум. Если прибор линии зашкаливается, вводить атте­ нюаторы генератора. Глубина погружения зондд измерительной линии долж­ на быть невелика;

г) перемещая каретку измерительной линии и варьируя ослабление ат­ тенюаторов генератора, добиться значения тока головки линии в максимуме

158

е) используя уравнение баланса мощности Я ,(1-- |Г |2) = Р2 + Р3 (Г — коэффициент. отражения) и считая тройник полностью симметричным (Я2=Яз), найти по градуировочным кривым головок 2 и 3 соответствующие

значения токов І2 и І3. Установить найденные значения токов с помощьюаттенюаторов соответствующих головок;

ж) повторить измерения по п. г), д), е), добиваясь выполнения балан­

са мощности с возможно большей точностью. Убедиться, что КСВ симмет­ ричного тройника близок к 2.

II.О П И САН И Е СТАНД АРТНО Й АП П АРАТУРЫ

§1. Генераторы

1. Генератор Г4-9

А. Основные технические характеристики

Б. Описание генератора

Структурная схема прибора и общий вид панели управления приведены на рис. 83 и 84.

Прибор состоит из следующих основных блоков: генератора высокой ча­ стоты 1, индикатора уровня выходной мощности 2, частотомера 3, импульс­ но-модуляционного блока 4 и блока питания 5.

Генераторной лампой служит отражательный клистрон К-12, помещен­ ный во внешний резонатор коаксиального типа, длиной в ЗЯ/4. Изменение генерируемой частоты осуществляется двояко: в широком диапазоне меха­ нической перестройкой резонатора при перемещении закорачивающего порш­ ня (ручка — Настройка генератора), в узком диапазоне — изменением на­ пряжения отражателя клистрона (ручка Отражатель).

Для плавного перекрытия диапазона при механической перестройке пе­ ремещение поршня резонатора сблокировано с потенциометром, автоматиче­ ски изменяющим напряжение отражателя так, чтобы сохранить условия генерации в пределах одной зоны. Генерируемая мощность выводится из ре­ зонатора с помощью петли связи, положение которой регулируется ручкой Выход мет. Второй выход мощности прибора осуществляется через калиб­ рованный ослабитель (Выход мквт).

Частотомер генератора резонансного коаксиального типа по конструкции аналогичен частотомеру Ч2-9А. Уровень сигнала индикаторного прибора ча­ стотомера регулируется изменением положения петли связи в резонаторе клистрона посредством ручки Связь с волномером. Индикация уровня мощ­ ности генератора производится термистором, включенным в мостовую схему. Начальный баланс этой системы устанавливается двумя ручками установки нуля: грубо и точно. Переключение индикаторного прибора для измерения частоты или мощности производится переключателем Индикация.

15»