Методы / El-Vac Devices of UHF 11 Full

при изменении его нагрузки, направленный ответвитель с коаксиальным двухплечевым переключателем и измерителем малой мощности для измерения уровней падающей и отраженной мощности во входном тракте. Далее следует исследуемый тетродный усилитель с двухзазорным входным устройством. Для измерения выходной мощности предусмотрен измеритель мощности калориметрического типа. Для контроля амплитуды высокочастотного напряжения на зазоре «катод – управляющая сетка» к усилителю подключен термисторный измеритель мощности. Необходимые постоянные напряжения

инапряжения накала подаются на тетрод от блока питания [3].

1.4.Программа работы и указания к ее выполнению

В процессе работы необходимо выполнить следующие задания:

1.Снять статические анодно-сеточные и экранно-сеточные характеристики тетрода при разных анодных и экранирующих напряжениях.

2.Снять амплитудные характеристики: зависимости выходной мощности от уровня входной мощности – при разных анодных напряжениях, напряжениях на экранирующей сетке и напряжениях смещения. Одновременно фиксировать величины анодного тока, тока экранной и управляющей сеток, значения падающей и отраженной мощности во входном тракте, а также значения амплитуды высокочастотного напряжения на управляющей сетке.

3.Снять частотные характеристики тетродного усилителя, т. е. зависимости выходной мощности от частоты при постоянном уровне падающей мощности (для разных значений анодных напряжений и уровней входной падающей мощности во входном тракте). Одновременно фиксировать изменения токов в цепях электродов тетрода, значения падающей и отраженной мощности во входном тракте и значения амплитуды высокочастотного напряжения на зазоре «управляющая сетка – катод».

4.Используя полученные характеристики, определить зависимости коэффициента усиления и КПД усилителя от уровня входной мощности, а также полосу пропускания на половинном уровне от максимального значения выходной мощности для исследуемых режимов работы.

5.Пользуясь методикой, изложенной в теоретической части описания к лабораторной работе, вычислить значения выходной мощности, коэффициента усиления и КПД для режима максимальной мощности и сравнить их с экспериментально полученными значениями.

Порядок включения установки и проведения измерений определяется от-

11

дельной рабочей инструкцией к данной работе.

После проверки преподавателем знаний по основным теоретическим положениям работы и получения от него конкретного задания можно приступить к выполнению экспериментальной части.

1.5. Содержание отчета

Отчет должен содержать следующие материалы:

1.Принципиальную схему экспериментальной установки с указанием назначения отдельных узлов.

2.Схематическое изображение конструкции исследуемого тетродного усилителя с двухзазорным входным устройством,

3.Основные параметры исследуемого тетрода.

4.Таблицы экспериментальных данных.

5.Графики экспериментальных статических анодно-сеточных характеристик Ia f1(UC1 ) и экранно-сеточных характеристик IC2 f2 (UC1 ) тетрода

при разных анодных напряжениях, вычисленные по ним для максимальных значений анодных токов величины крутизны.

6. Графики P f (P ) – экспериментальных амплитудных характери-

вых 3 вх

стик и построенные по ним зависимости коэффициента усиления.

7.Зависимости токов в цепях электродов.

8.Зависимости коэффициента стоячей волны Kсв во входной ли-

нии Kсв f (Pвх ) . При этом необходимо определить значения входной мощности Pвх как разность падающей Pпад и отраженной Pотр мощностей во

входной линии, используя градуировочные кривые для направленного ответвителя, а затем найти значения коэффициента отражения и коэффициента

9. Графики экспериментальных частотных характеристик при постоянных уровнях входной падающей мощности Pвх и постоянных анодных напряжениях Ua , измеренных по амплитудночастотным характеристикам выходной мощности Pвых , и экспериментальных значений полосы пропускания тетродного усилителя на половинном уровне от максимального значения для данной частотной характеристики.

10. Расчетные значения выходной мощности, коэффициента усиления и

12

коэффициента полезного действия для режима работы, соответствующего наибольшим значениям выходной мощности при постоянных значениях анодного напряжения. Рекомендуется следующий порядок расчета:

–по экспериментальным статическим анодно-сеточным характеристикам определить крутизну тетрода;

–зная геометрические размеры тетрода и значения напряжений на электродах, а также рабочую частоту, найти фиктивный угол пролета в зазоре К– С1 и статические углы пролета в зазорах К–С1 и С1–С2 по формулам (1.6), (1.7) и (1.4);

–по графикам рис. 1.4 найти значение нормированной входной проводимости GS , и затем абсолютное значение Gвх Gэл Gр1;

–по формуле (1.5) определить входную мощность;

–по формуле (1.3) найти значение модуля средней комплексной крутизны ( Sср S2 при работе в классе В);

–зная эквивалентное сопротивление выходного резонатора и его контурный КПД, по формулам (1.1) и (1.2) определить расчетное значение выходной мощности;

–по формулам (1.8)–(1.10) рассчитать значения коэффициентов усиления и полезного действия;

–сопоставить расчетные и экспериментально найденные параметры.

1.6.Контрольные вопросы

1.Объясните преимущества и недостатки тетродов по сравнению с другими микроволновыми приборами.

2.Почему с ростом рабочей частоты увеличиваются входная проводимость и входная мощность тетродов, а выходная мощность падает?

3.Укажите особенности двухзазорного пакетирующего устройства по сравнения с другими конструкциями входных устройств, реализующих схему

собщим катодом.

4.Укажите особенности конструкции исследуемого тетрода.

5.Объясните назначение узлов экспериментальной установки.

6.Изложите методику вычисления значения выходной мощности, коэффициента усиления и КПД для режима максимальной мощности.

13

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОРЕЗОНАТОРНОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО КЛИСТР0НА

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

2.1.Основные теоретические положения

2.1.1.Устройство многорезонаторного клистрона

Для усиления СВЧ колебаний средней и большой мощности ( P 10 Вт) в сравнительно узкой полосе частот ( f f < (0.1…5) % ) в настоящее время широко 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. На практике устройство формирования электронного потока вместе с фокусирующей системой называют электронно-оптической системой (ЭОС), а систему резонаторов с элементами связи – электродинамической системой (ЭДС) клистрона [4].

На эскизе усилительного пролетного клистрона (рис. 2.1) изображены: катод с подогревателем 1, управляющий электрод 2, анод 3, входной резонатор 4, выходной резонатор 5, коллектор с радиатором охлаждения 6, магнитная фокусирующая система 7, промежуточные резонаторы 8, входная петля связи 9, выходная петля связи 10, пролетные трубы 11, элементы перестройки резонансной частоты 12.

2.1.2. Принцип действия прибора

Клистрон является прибором, в котором энергия ускоренного электронного потока преобразуется в энергию СВЧ-колебаний. Ускорение потока до некоторой скорости v0 происходит в пространстве «катод–анод» (рис. 2.1), а далее поток электронов движется (дрейфует) по инерции до коллектора [5].

14

При этом

где U0 – ускоряющее напряжение в вольтах, e , m – заряд и масса электрона. На своем пути электронный поток поочередно проходит две характерные

области: зазоры резонаторов, где возможно сосредоточение продольного СВЧ-поля Ez и пролетные трубы (область между зазорами), где поле Ez отсутствует. Первая область называется пространством взаимодействия, а вторая – пространством дрейфа. Для обеспечения однородности поля Ez в поперечном сечении торцевые части зазора некоторых приборов затягиваются сеткой. Следует отметить, что в процессе движения в упомянутых областях на электроны постоянно действуют кулоновские силы взаимного расталкивания.

Рис. 2.1

При отсутствии входной мощности все электроны достигают коллектора с одинаковой скоростью v0 и передают ему всю энергию, полученную от ускоряющего электрического поля. Эта энергия преобразуется в тепло. Если же СВЧ-мощность во входной резонатор подается, то на его зазоре возникает переменное продольное электрическое поле Ez . Электроны, вышедшие в разное время с катода, пересекают зазор резонатора в разные фазы этого поля, испытывая ускорение или замедление своего движения.

15

Этот процесс будет происходить тем интенсивнее, чем выше напряженность поля в пространстве взаимодействия и чем меньше время нахождения электронов в этой области по сравнению с периодом СВЧ-колебаний. Процесс изменения скорости электронов под действием СВЧ-поля называется скоростной модуляцией, электронного потока.

Эта модуляция (даже если она очень мала по сравнению со скоростью v0 ) вызывает изменение (модуляцию) плотности однородного электронного потока при движении его в пространстве дрейфа. Такой процесс называется группировкой. Результатом группировки является возникновение сгустков электронов, следующих один за другим. В итоге однородный поток превращается в неоднородный, т. е. постоянный ток I0 преобразуется в переменный конвекционный ток Iк . Процессы модуляции и группировки можно достаточно наглядно проанализировать с помощью пространственно-временной диаграммы (рис. 2.2), на которой отображается зависимость пути z , пройденного отдельными электронами потока, от времени t . Наклон линий пропорционален скорости электронов. Изменение наклона вызывается полями в СВЧрезонаторах или силами взаимного расталкивания (силами пространственного заряда). При построении диаграммы предполагается, что время движения

16

электронов в зазоре резонаторов пренебрежимо мало по cравнению с периодом СВЧ-колебаний.

Анализируя движение электронов (см. рис. 2.2) в пространстве между 1-м и 2-м резонаторами, можно заключить, что сгущения электронов первоначально происходят вокруг электронов, не испытывающих изменения скорости в первом резонаторе и проходящих его при переходе поля Ez с замедляющего на ускоряющее (электроны с номерами 3 и 7 на рис. 2.2). Образованию плотного сгустка (точка С на рис. 2.2) при слабой модуляции электронного потока по скоростям препятствуют силы пространственного заряда. На рис. 2.2 движение электронов без учета сил пространственною заряда (так называемое кинематическое приближение) показано пунктирными линиями, а с учетом этих сил – сплошными. Из рис. 2.2 видно, что в некотором сечении А-А сгусток имеет минимальную протяженность, а при дальнейшем движении происходит его разгруппирование. Для того чтобы сгусток более уплотнить, т. е. повысить долю переменной составляющей конвекционного тока, необходимо усилить модуляцию по скоростям на входе, что приведет к снижению усиления. На практике для той же цели используют дополнительные (промежуточные) резонаторы. Процессы, происходящие в них, будут ясны из последующего изложения.

При своем движении электронный поток создает движущийся наведенный заряд на внутренней поверхности (пролетной трубы (рис. 2.3)), что обуславливает так называемый наведенный ток ( Iн ). Этот ток практически не создает падения напряжения вдоль трубы дрейфа ввиду высокой проводимости стенок.

Однако при прохождении сгруппированного электронного потока через зазор резонатора наведенный ток встречает значительное сопротивление Zр ,

когда одна из резонансных частот рассматриваемого резонатора f0i равна или кратна частоте следования электронных сгустков f . Другими словами, резонатор реагирует на одну из гармонических составляющих Iн i наведен-

ного тока Iн ( i – номер составляющей). Схематически процесс возбуждения резонатора сгруппированным электронным потоком представлен на рис. 2.3, где изображены резонатор 1, труба дрейфа 2, сгусток электронов 3, сетка резонатора 4, а также Eρ – напряженность электрического поля пространствен-

ного заряда.

17

Полагая, что электроны проходят зазор в пренебрежимо короткое время по сравнению с периодом СВЧ-колебаний, можно записать:

где Iк i – i -я гармоника конвекционного тока.

Явление резонанса, возникающее при прохождении сгустков, вызывает существенное увеличение напряжения на зазоре резонатора. Это напряжение устанавливается приблизительно при Qн i -кратном прохождении сгустков через зазор ( Qн i – нагруженная добротность резонатора).

1

Анализ рис. 2.3 показывает, что для увеличения амплитуды напряжения на зазоре резонатора необходимо уменьшить шунтирующее действие элементов L0 , C0 , R0 , являющихся элементами эквивалентной схемы резонатора. Это условие равносильно увеличению характеристического сопротивления резонатора ρ i L0 C0 и добротности Qн i . Напряжение на зазоре резонатора Uр i , можно рассчитать по закону Ома;

где Zp i ρiQн i (1 jξi ) – эквивалентное сопротивление резонатора. Обобщен-

ная расстройка резонатора ξi находится из выражения ξi 2Qн i ( f f0) f . Выражение (2.3) справедливо для любой гармоники наведенного тока.

Индекс i в дальнейшем изложении опустим. Напряжение Up обусловливает

18

поле в пространстве взаимодействия E2 . В свою очередь поле E2 воздействует на породивший его модулированный электронный поток. Характер этого взаимодействия зависит от разности фаз между током Iк и напряжением Up .

Из (2.3) следует, что эта разность фаз определяется прежде всего величиной Zp , т. е. расстройкой резонатора.

При ξ=0 , т. е. при так называемой синхронной настройке резонаторов, имеем Zp ρQн , что приводит к выражению:

Из (2.4) следует, что переменный конвекционный ток и напряжение на зазоре сдвинуты друг относительно друга на π радиан, что соответствует торможению сгустка в зазоре. При этом наибольшее торможение испытывают электроны, находящиеся в центре сгустка. Таким образом, энергия от сгустка частично отбирается и рассеивается в стенках резонатора, а электронный поток испытывает дополнительную модуляцию. Как следует из изложенного, образование нового сгустка будет происходить относительно нового центра (электроны 3 и 7 на рис. 2.2 для случая слабой модуляции в первом резонаторе). Пройдя несколько зазоров, сгусток уплотняется, и при входе в последний резонатор амплитуда переменной составляющей конвекционного тока Iк составляет (1,4 1,6)I0 . Подбирая ρ и Qн выходного резонатора, можно

обеспечить Up U0 , т. е. реализовать почти полное торможение электронов.

Полное торможение сгустка будет происходить и в случае отсутствия разброса скоростей электронов, образующих сгусток. Высвободившаяся энергия СВЧ при торможении электронов через элемент связи выходного резонатора передается в нагрузку.

Из изложенного следует, что явления, происходящие в промежуточных и выходном резонаторах, по своей сути одинаковы. Сопротивление R0 в эквивалентной схеме (см. рис. 2.3) отражает потери энергии в резонаторе. Для промежуточных резонаторов это потери в стенках вследствие конечной их проводимости, а для выходного к этим потерям добавляется энергия, передаваемая в нагрузку.

При рассмотренной синхронной настройке в каждом резонаторе наводится максимально возможное напряжение при данном уровне входной мощности. В таком режиме клистрон обеспечивает максимальное усиление. Для

19

получения максимального КПД необходимо изменить настройку предвыходного резонатора, чтобы симметрично сгруппировать сгусток в последней пролетной трубе. При этом обеспечивается малый разброс скоростей сгустка при входе в выходной резонатор. Такая подгруппировка происходит при расстройке предпоследнего резонатора в сторону более высоких частот f0 f , при этом происходит сдвиг напряжения на зазоре относительно наведенного тока согласно (2.3). Вводя расстройку, необходимо увеличить входную мощность, что приведет к снижению усиления.

На практике трудно обеспечить моноскоростной узкий сгусток в плоскости выходного резонатора. Поэтому часть электронов может быть выброшена в сторону катода, а часть, пройдя резонатор, будет обладать остаточной кинетической энергией, которая преобразуется в тепло на коллекторе. Однако нагрев коллектора в этом случае будет меньше, чем при отсутствии управляющего сигнала, так как часть энергии постоянного тока преобразуется в полезную СВЧ энергию.

Проведенный анализ работы клистрона основан на предположении малости времени пролета электронов в зазоре по сравнению о периодом СВЧ колебаний, что существенно упрощает рассмотрение. На практике для характеристики пролетных явлений вводится понятие угла пролета.

θ 2π τ / T ω zv0 2π f zv0,

где z – пройденное электроном расстояние, f – частота возбуждающего сигнала, v0 – скорость электронов, вычисляемая согласно (2.1). При учете угла пролета эффективность скоростной модуляции и соответственно торможения электронов падает, что обычно учитывается введением коэффициента взаимодействия M 1. Для однозазорных резонаторов коэффициент M определяется углом пролета электронов в зазоре θ0 : М sin(θ0 2)θ0 2.При этом (2.3) перепишется Iн M Iк .

Кроме того, конечное время пролета приводит к тому, что электроны группируются не только в пространстве дрейфа, но и в зазоре. Это приводит к существенному изменению Iн . Для учета этого обстоятельства вводят понятие электронной нагрузки резонатора электронным потоком Ye . При этом (2.3) переписывается следующим образом:

20