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

Подавая на отражатель импульс прямоугольной формы, легко получить импульсный режим работы клистрона. Заметим, что частотная и амплитудная модуляции отражательного кли­ строна практически не требуют затраты мощности, так как электронный ток в цепи отражателя мал.

Выходная мощность клистрона, определяемая выражением (102), зависит от проводимости нагрузки и номера зоны гене­ рации. Чтобы найти выражение P = P(G'и), следует использо­ вать уравнение мощности (100). При этом

Gn0JI = Gh+ Gp = — G3JI = — М* (/./£/.) (ф sin ф) (J1(X)/X), (107

относительно параметра группировки X и подставляя его в урав­ нение (104), можно рассчитать искомую зависимость P = P(G'„). Вид подобной зависимости представлен на рис. 36.

Таким образом, при плавном увеличении проводимости нагрузки выходная мощность сначала растет, достигая1макси­

80

мума, а затем резко падает. Нагрузку, при которой выходная мощность наибольшая, называют оптимальной.

Используя уравнение мощности (104) и выражение для активной составляющей электронной проводимости G3;T, можно найти значение пускового тока, при котором для данной зоны начинают возбуждаться колебания:

Предварительное расчетное задание

1.Рассчитать положение максимумов зон генерации иссле­ дуемого клистрона в зависимости от напряжения на отражателе при определенном напряжении на аноде. Расстояние от центра резонатора до отражателя, рабочая частота и напряжение на аноде указываются преподавателем.

2.Рассчитать крутизну электронной настройки для зон с номерами л = 1, 2, 3, 4. Принять Q„ = 300.

Описание экспериментальной схемы

Функциональная схема экспериментальной установки пред­ ставлена на рис. 37. В качестве объекта исследования выбран отражательный клистрон, входящий в состав стандартного из-

Рис. 37. Функциональная схема установки для из­ мерения характеристик отражательного кли­ строна.

мерительного генератора. Предлагается изучить работу этого генератора снятием зон генерации в зависимости от напряже­ ния на отражателе. Анодное напряжение следует при этом

поддерживать постоянным.

Пилообразное напряжение, подаваемое на отражатель кли­ строна, снимается с отклоняющих пластин осциллографа, вертикальный канал которого используется для индикации зон генерации. Режим импульсной модуляции осуществляется или

81

6. Провести исследование зоны генерации клистрона в не­ прерывном” режиме колебаний. Изменяя напряжение отража-. теля в большую и меньшую сторону от найденного центра зоны, снять зависимость .мощности Р (в единицах показания прибора детекторной головки) и частоты / от напряжения отражателя.

Оформление отчета

1.Начертить схему питания клистрона постоянным током и основную схему ВЧ-тракта.

2.На одном и том же графике построить зависимость мощ­ ности и частоты от напряжения на отражателе, полученные дву-, мя способами: осциллографическим методом в режиме частот­ ной модуляции и в непрерывном режиме по точкам.

3.По результатам эксперимента определить диапазон элек-. тронной настройки и крутизну электронной настройки для каждой зоны генерации. Для зоны с наибольшей генерируемой мощностью вычислить по величине крутизны электронной наст-, ройки значение нагруженной добротности резонатора.

4.Привести осциллограммы огибающих радиоимпульсов в. режиме амплитудной модуляции.

5.В конце отчета дать письменное заключение по проделан­ ной работе. Сопоставить экспериментальные данные с резуль­ татами теоретического расчета (напряжения отражателя для центров зон и крутизну электронной настройки).

Факультативное задание

Провести измерение генерируемой мощности в зоне в абсолютных еди-. кицах. Для этого следует использовать измеритель малой мощности.

5.Поясните зависимость мощности колебаний от напряжения отра-^ жателя.

6.Дайте определение диапазона электронной настройки.

7.Дайте определение крутизны электронной настройки.

8.Какими способами можно перестраивать частоту колебаний клистрон­

ного генератора?

9. Какие способы модуляции колебаний клистронного генератора вам-.,

известны?

10. Какие резонаторы используются в отражательных клистронах?

4. Поглощающая нагрузка Э9-13/2. 5. Детекторная головка Э7-11. 6. Ком­

плект коаксиальных кабелей.

83-

Р а б о т а 9

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ МАГНЕТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Цель работы

Изучение нагрузочных характеристик магнетрона. Овладение практическими навыками работы с мощным импульсным гене­ ратором.

Общие положения

Магнетрон является представителем мощных генераторов колебаний сверхвысоких частот. Устройство магнетрона пока­ зано на рис. 38. Магнетрон состоит из анодного блока, представ­ ляющего собой резонаторную систему со связками и меха­ низмом подстройки частоты, цилиндрического катода и ус­ тройства вывода высокочастот­ ной энергии. Магнитное поле, параллельное оси прибора, со­ здается внешними магнитами

торную систему магнетрона можно представить как систему, замедляющую электромагнит­ ную волну, распространяющуюся в пространстве взаимодействия между анодным блоком и катодом, причем эта система в резуль­ тате кольцевой конструкции замкнута сама па себя. Такую си­ стему можно возбудить лишь на определенных видах колебаний, из которых важное значение имеет я-вид, или противофазный. Существуют две основные конструкции катодного узла: с дер­ жателями катода радиального и аксиального типа. Высокоча­ стотная энергия из прибора выводится с помощью петли или

•отверстия связи, помещенных в периферийной части одного из резонаторов анодного блока.

Принцип действия магнетрона можно пояснить следующим образом. Электроны, эмиттируемые в пространство взаимодей­ ствия, под действием анодного напряжения, магнитного поля и ВЧ-напряжения резонаторов группируются в плотные прост­ ранственные сгустки — спицы, вращающиеся вокруг катода. Положение и форма этих сгустков определяются механизмом фазовой фокусировки, обеспечивающим передачу потенциаль­

•84

ной энергии (энергии положения) движущихся зарядов ВЧ-по- лю бегущей волны. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с ВЧ-полем и фазовая фокусировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и возможность получения больших мощностей.

При работе с магнетронами необходимо знать основные за­ висимости между параметрами генератора, которые описыва­ ются двумя видами характеристик:

рабочие характеристики связывают выходные параметры генератора — мощность Р, частоту f и к. п. д. т] с параметрами питания — анодным напряжением Ua, анодным током / а и маг-

Рис. 39. Эквивалентная схема магнетрона.

питной индукцией В. Эти характеристики находят при работе магнетрона на согласованную нагрузку;

нагрузочные характеристики связывают мощность и частоту колебаний с импедансом нагрузки Z„. При их получении фикси­ руют Uа (или / а) и магнитную индукцию В.

Изменение частоты автогенератора под влиянием перемен­ ного сопротивления нагрузки получило название затягивания частоты.

В данной лабораторной работе предлагается эксперимен­ тально определить семейство нагрузочных характеристик маг­ нетрона. Зависимости подобного вида можно найти из анализа эквивалентной схемы магнетрона (рис. 39). В эквивалентных схемах принято резонансную систему генератора, работающую в пределах одного вида колебаний (я-вид), заменять радиотех­ ническим контуром L, С, G. Сопротивление нагрузки, линия передачи и устройство вывода энергии представлены на схеме эквивалентными элементами. Активной частью схемы является так называемая электронная проводимость Узл, соответствую­ щая отношению первой гармоники наведенного тока к ВЧ-на- пряжению на контуре.

Трансформируя сопротивление нагрузки в контур генерато­ ра, получим следующее выражение для частоты колебаний в

85

передающей линии; F0~ коэффициент затягивания, определяе­ мый экспериментально как максимальное отклонение частоты при IГ| =0,2.

Аналогичным образом можно получить также зависимость, мощности ВЧ-колебаний от импеданса нагрузки:

при условии полного согласования нагрузки.

Следует заметить, что зависимости, приведенные выше, но­ сят в основном приближенный характер и пригодны для оценоч­ ных расчетов-лишь в об­

буется произвести количе­ ственные оценки, прихо­ дится использовать экспе­ риментальные характе­ ристики.

Нагрузочные характе­ ристики магнетрона полу­ чают при работе генера­ тора в режиме с задан­ ными значениями іУа иВ. К его выходным зажимам (фланцам) присоединяют специальную систему, со­ стоящую из фазовраща­ теля, рассогласователя и поглощающей нагрузки. Изменяя положение на­ строечных элементов фа­ зовращателя и рассогла­

сователя, можно варьировать в известных пределах значения модуля и фазы коэффициента отражения. Измеряя при этомчастоту и мощность колебаний генератора, находим искомое семейство нагрузочных характеристик, которые принято изобра­ жать на плоскости комплексного коэффициента отражения в виде линий постоянной частоты и постоянной мощности.

Однако более удобно результаты экспериментального иссле­ дования изображать в виде семейства кривых на графике в прямоугольных координатах, по осям которого отложены часто-

86

та и фаза коэффициента отражения. Такие зависимости назы­ вают линиями затягивания частоты автогенератора. Параметром их является модуль коэффициента отражения. Нагрузочные характеристики магнетрона изображены на рис. 40 и 41.

Ю

Рис. 41. Зависимость затягивания частоты и мощ­ ности магнетрона от фазы коэффициента отра­ жения.

Качество работы импульсного магнетрона можно оценить по «отклонению спектра колебаний от нормального вида. Появле­ ние частотной модуляции приводит к резкому изменению основ­ ных и .боковых лепестков спектра.

Предварительное задание

1. Построить по уравнениям (109) и (ПО) семейство кривых затягивания частоты и изменения мощности колебаний в зави­ симости от фазы коэффициента отражения.

Кривые построить для пяти значений }Г | — от нуля до 0,2. Коэффициент Ко принять равным 0,3% номинального значе­

ния /о- 2. По данным расчета (см. п. 1) построить по две-три ли­

нии f = const и K=const на плоскости круговой диаграммы пол­ ных сопротивлений.

Описание экспериментальной схемы

Функциональная схема экспериментальной установки при­ ведена на рис. 42. Магнетрон работает в импульсном режиме. Анодное напряжение на магнетрон подается с высоковольтного генератора импульсов — модулятора. С помощью коаксиально­ волноводного перехода магнетрон соединен с измерительной частью установки, в которую входят фазовращатель, плавно

87

регулирующий фазу отраженной волны в пределах 0—360°, рассогласователь, позволяющий менять КСВ в линии передачи в пределах от 1 до 2, и, наконец, согласованная волноводная нагрузка. Фазовращатель и рассогласователь имеют градуиро­ вочную шкалу. В измерительный комплекс входят частотомер резонансного типа и анализатор спектра для контроля спектра радиоимпульса. Непосредственно на выходе генератора уста-

Рис. 42. Функциональная схема установки для снятия харак­ теристик магнетрона.

новлена измерительная линия с импульсным усилителем сиг­ нала для определения модуля и фазы коэффициента отражения относительно фланцев генератора.

Управление режимом работы магнетрона и измерение пара­ метров питания осуществляются с пульта управления на перед­ ней панели модулятора.

Задание и порядок выполнения работы

Внимание! Магнетронный генератор работает при высоком напряжении. Перед выполнением работы студент обязан вни­ мательно проработать инструкцию по технике безопасности о работе с высоким напряжением.

1. Ознакомиться с аппаратурой, входящей в эксперимен­ тальную установку. Изучить инструкцию по включению и регу­ лировке магнетронного генератора, а также специальной из­ мерительной аппаратуры.

2.Включить и прогреть накальную цепь модулятора и гене­ ратор. Включить в сеть измерительную аппаратуру.

3.Включить анодную цепь магнетрона и, плавно увеличивая напряжение, поднять анодный ток до заданного значения.

4.Установить заданную преподавателем частоту с помощью механизма подстройки частоты. При этом рассогласователь в линии передачи необходимо установить на минимальное значе-- ние КСВ.

88

5. Снять кривые затягивания частоты магнетронного гене­ ратора. Для этого последовательно установить рассогласователем значения КСВ, равные 1,1; 1,2; 1,3; 1,4 и 1,5 и, изменяя фазу отражений волны фазовращателем, найти ряд соответст­ вующих частот /п- Результаты измерения занести в таблицу. Значения КСВ и фазы коэффициента отражения проконтроли­ ровать с помощью измерительной линии, приведя их к сечению выходного фланца генератора.

6. Зарисовать на кальку наиболее характерные формы спек­ тра амплитуд радиоимпульса с экрана анализатора спектра.

Оформление отчета

1. Начертить структурную схему установки, включая им­ пульсный модулятор магнетрона.

2. Результаты измерения частоты, модуля и фазы коэффи­ циента отражения свести в таблицу, по результатам которой построить линии затягивания частоты.

3. Найти значение коэффициента затягивания частоты F0.

4.Построить линии постоянной частоты на плоскости кру­ говой диаграммы сопротивлений.

5.Сравнить результаты расчета и эксперимента.

6.Оценить погрешность проведенных измерений.

1.Найти сетку кривых затягивания мощности P=F(<р) при параметре семейства |Г |.

2.Построить линии постоянной мощности на плоскости круговой диаг­

раммы полных сопротивлений.

4.Выведите формулу зависимости мощности колебаний от импеданса нагрузки.

5.Что такое рабочая характеристика магнетрона? В каких условиях она

снимается?

6. Как строится нагрузочная характеристика магнетрона?

7. Найдите значение частоты и мощности колебаний, генерируемых маг­ нетроном, по известным параметрам нагрузки и нагрузочной характеристике.

Рекомендуемая аппаратура 3-см диапазона

1. Магнетрон МИ-501. 2. Модулятор (нестандартный). 3. Измерительная линия Р1-4 (или РЗ-40). 4. Анализатор спектра С4-5. 5. .Частотомер 42-32. 6. Усилитель широкополюсный УЗ-7А. 7. Фазовращатель Э4-3. 8. Согласую­ щий трансформатор Э1-11. 9. Поглощающая нагрузка Э9-21.

89