3.4. Программа работы и указания по ее выполнению

1. Ознакомиться с конструкцией отражательного клистрона, схемой установки и измерительной аппаратурой.

2. Включить установку, добиться генерации отражательного клистрона, настроить измеритель малой мощности и волномер.

3. Меняя вручную напряжение на отражателе, определить границы зон генерации клистрона и частоту колебаний.

4. Снять зависимости мощности и частоты от напряжения отражателя при нескольких значениях напряжения анода в нескольких точках рабочего диапазона.

5. Настроить схему измерений. Зарисовать зоны генерации клистрона. Перестраивая волномер, получить частотную метку на экране осциллографа и измерить диапазон электронной перестройки для всех зон генерации.

3.5. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Схему установки.

2. Справочные данные исследуемого клистрона.

3. Таблицы и графики измеренных зависимостей, осциллограммы.

4. Расчет номеров зон генерации клистрона.

5. Расчет диапазона и крутизны электронной перестройки.

3.6. Контрольные вопросы

1.В чем состоит отличие группирования в отражательном клистроне от группирования в пролетном клистроне?

2.В чем состоят фазовые условия самовозбуждения клистрона?

3.Чем определяется частота колебаний, генерируемых клистроном?

4. Исследование лампы бегущей волны

Цель работы: изучение характеристик и параметров лампы бегущей волны (ЛБВ) типа «О», их зависимостей от режима работы прибора, овладение методами измерений параметров ЛБВ.

4.1. Основные теоретические положения

Лампа бегущей волны с линейным электронным потоком (типа «О») –один из наиболее распространенных типов усилителей СВЧ. К ее достоинствам относятся широкая полоса усиливаемых частот, большой коэффициент усиления, сравнительно малые шумы. В то же время, по коэффициенту полезного действия ЛБВ уступает многорезонаторным клистронам и приборам М-типа. Лампы бегущей волны работают практически во всем диапазоне СВЧ – от дециметровых до миллиметровых длин волн. Они используются в промежуточных и выходных каскадах передатчиков систем радиорелейной и космической связи, радиолокации, радиоэлектронной борьбы, а также во входных каскадах СВЧ приемников и в измерительной аппаратуре [8], [9].

Принцип действия ЛБВ основан на длительном взаимодействии электронного потока с электромагнитным полем бегущей волны в условиях синхронизма, т. е. примерного равенства скоростей электронов и фазовой скорости электромагнитной волны. Так как электроны не могут двигаться со скоростью света, электромагнитную волну в ЛБВ замедляют с помощью специальных линий передачи – замедляющих систем (ЗС). В приборах малой и средней мощности, как правило, используются спиральные ЗС, фазовая скорость волны в которыхслабо зависит от частоты. Это позволяет обеспечить работоспособность ЛБВ в широкой полосе частот, достигающей нескольких октав, и выполнение условий синхронизма. В мощных ЛБВ используются резонаторные ЗС, обладающие сильной дисперсией (зависимостью фазовой скорости от частоты), что ограничивает ширину полосы частот этих приборов до 10…20 %.

Рассмотрим механизм преобразования энергии электронного потока в ЛБВ. На рис. 4.1 показаны зависимости продольной составляющей электрического поля волны от координаты и силыдействующей на электроны, движущиеся в поле волны. Фазовая скорость волны без потокаи скорость электронов, где– ускоряющее напряжение, одинаковы, поэтому электроны неподвижны относительно волны. Электрическое поле волны, воздействуя на электроны, увеличивает скорости тех из них, которые находятся в ускоряющем поле, и уменьшает скорости электронов, находящихся в тормозящем поле. В результате электроны собираются в сгустки, центрами которых служат электроны, находящиеся в области изменения знака направления силы (рис. 4.1).

Чтобы образовавшийся сгусток электронов отдавал энергию волне, он должен находиться в ее тормозящем поле. Поэтому необходимо слегка увеличить скорость электронного потока. Тогда по мере своего формирования сгусток будет продвигаться относительно волны вперед, в тормозящее поле, и там отдавать свою энергию. Скорость электронов сгустка при этом уменьшается и с течением времени становится меньше скорости волны. Сгусток начинает отставать от волны, и когда он выходит из тормозящего поля, передача энергии от сгустка электромагнитному полю прекращается. В этот момент взаимодействие электронов с волной необходимо прекращать.

Линейная теория ЛБВ позволяет описать процесс взаимодействия как интерференцию трех волн, распространяющихся в замедляющей системе с электронным потоком и имеющих различные постоянные распространения . Одна из этих волн по мере распространения нарастаети таким образом обеспечивает усиление сигнала. Коэффициент усиления ЛБВ с ЗС с длинойопределяется по формуле [2], [3].

(4.1)

где – абсолютное значение постоянной нарастания волны,– коэффициент, учитывающий, какая часть входной мощности приходится на нарастающую волну.

Постоянная α связана с безразмерным параметром (корнем характеристического уравнения ЛБВ) соотношением

(4.2)

где – «электронная» фазовая постоянная, определяющая скорость движения,– параметр усиления Пирса, – сопротивление связи ЗС,– ускоряющее напряжение и ток электронного луча.

Значение , в свою очередь, определяется величиной пространственного заряда в потоке, постоянной затухания «холодной» ЗСи параметром несинхронности

На рис. 4.2 показана зависимостьотдляи для различных значений параметра пространственного заряда

где – редуцированная плазменная частота,– коэффициент редукции, зависящий от радиуса пролетного канала, радиуса потокаи фазовой постоянной(рис. 4.3),– плазменная частота,– первеанс,,– площадь сечения электронного потока,.

Как видно на рис. 4.2, значение сильно зависит от параметра несинхронности, величина которого на данной частоте определяется скоростью электронов, т. е. ускоряющим напряжением. При малых значениях параметра пространственного заряда, при этом. При увеличении параметраоптимальное значениеувеличивается, максимальное значениеуменьшается, сужается область значений параметра, в которой(область усиления). В этом проявляется вредное влияние пространственного заряда на процессы группирования в ЛБВ.

Постояннаятакже зависит оти. При малыхиполучим, т. е. напряженность поля входного сигнала делится поровну между тремя волнами. Холодное затухание сигнала в спирали можно приближенно учесть, введя эффективный параметр

,

где – параметр затухания.

Для устранения обратной связи между входом и выходом ЛБВ за счет отражений от концов ЗС в прибор вводят сосредоточенный поглотитель, дополнительно уменьшающий его коэффициент усиления. С учетом этого уменьшения и формул (4.1), (4.2) выражение для коэффициента усиления в децибелах приобретает вид:

,

где ,– затухание, обусловленное сосредоточенным поглотителем, размещаемым внутри ЛБВ для предотвращения отраженных волн,– число замедленных волн, укладывающихся на длине ЗС –. Для малых значенийиобычно,. Тогда

Максимальная выходная мощность и коэффициент полезного действия ЛБВ могут быть определены только с помощью нелинейной теории. Приближенные оценки дают значение КПД .