Методы / El-Vac Devices of UHF 11 Full

где Zэ (Zp1 Ye )1– эквивалентное сопротивление резонатора с учетом электронной нагрузки Ye . Величина Iн(0) в (2.5) определяется при условии

Up 0 . Введение понятий M и Ye позволяет применять описанный метод и для случая зазоров конечной длины.

2.1.3. Основные параметры и характеристики клистрона

Основными эксплуатационными параметрами клистрона, как и любого другого усилителя, являются: выходная мощность Pвых , коэффициент усиления μ и полоса рабочих частот f f , а также коэффициент шума F . Эти пара-

амплитудно-частотной ( Pвых f (ω)) 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. 2.4

Выходная мощность клистрона в случае синхронной настройки резонаторов возрастает при увеличении входной, так как увеличивается степень группировки сгустков приходящих в выходной резонатор (область I на рис. 2.4,а). При дальнейшем увеличении входной мощности наступает явление перегруппировки, что снижает Pвых (область II на рис. 2.4,а). При изменении рабочей частоты эквивалентное сопротивление резонаторов Zp умень-

21

шается по модулю, что ведет к снижению СВЧ-напряжения на зазорах, а соответственно и мощности на выходе (кривая 2 на рис. 2.4, а). Однако за счет увеличения входной мощности Popt2 можно добиться практически той же мак-

симальной выходной мощности.

Коэффициент усиления клистрона определяется по формуле:

Зависимость μ f (Pвх ) показана на рис. 2.4, а. Коэффициент усиления серийно выпускаемых клистронов колеблется от 30 до 60 дБ. Его значение определяется прежде всего количеством резонаторов, используемых в приборе. При этом связь количества резонаторов N с коэффициентом усиления μ (дБ) выражается следующей эмпирической формулой [4]: μ (10 13)(N 1) . Область, где μ const, называется линейным режимом работы усилителя.

Если от клистрона требуется максимальная выходная мощность, а не максимальный коэффициент усиления, предвыходной резонатор настраивают на более высокую резонансную частоту, как это было показано ранее. Амплитудная характеристика в этом случае отображена кривой 3 на рис. 2.4, а. Такой режим называется режимом максимального КПД. Для современных образцов КПД колеблется от 25…40 % для маломощных клистронов и до 60…90 % для мощных приборов.

Типичные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) показаны на рис. 2.4, б. Для синхронной настройки при Pвх Popt1 АЧХ клистрона определяется прежде всего АЧХ резонаторов и имеет соответственно колоколообразный вид. Если Pвх Popt1, то на центральной частоте f0 наблюдается перегруппировка, что дает снижение мощности в этой точке и АЧХ приобретает двугорбый вид. Полоса рабочих частот прибора определяется по частотному

центах. Величина f f0 для современных приборов колеблется от 0.1 до 5 %. Последние цифры относятся к случаям, когда в ущерб КПД и μ резонаторы взаимно расстраиваются. Возможный вариант расстройки показан на рис. 2.4, 6. При этом очевидно, что двугорбость (или изрезанностъ АЧХ) может проявляться и в линейном режиме. Для обеспечения широкой полосы нагруженная добротность выходного резонатора должна быть низкой.

22

2.2.Описание объекта исследования

Вкачестве объекта исследований в работе используется пятирезонаторный усилительный клистрон с магнитной фокусирующей системой. Этот прибор в основном подобен изображенному на рис. 2.1. Основной особенностью исследуемого образца является использование специальных двухзазорных резонаторов, повышающих эффективность отбора СВЧ-энергии по сравнении с однозазорными.

Er

Ez

v0

Ez

Эскиз двухзазорного резонатора и эпюры распределения электрического поля в его зазорах представлены на рис. 2.5. Такой двухзазорный резонатор можно получить из однозазорного. Для этого необходимо направить поток не по оси коаксиального резонатора 0z , а по его радиусу r . В этом случае электронный поток будет дважды проходить пространство взаимодействия. Для обеспечения торможения потока в обоих зазорах необходимо, чтобы угол пролета между центрами зазоров был кратен нечетному количеству π, т. е. Δθ (2n 1)π .

Более детально строение резонатора и клистрона в целом можно рассмотреть на специальном макете, а также в [5]. Другие параметры прибора:

23

2.3. Описание измерительной установки

СВЧ-схема измерительной установки показана на рис. 2.6. Панорамный измеритель затухания, содержащий блок генератора качающейся частоты ГКЧ и блок индикатора, служит для возбуждения клистрона и исследования формы амплитудно-частотной характеристики. Направленные ответвители HО1 и

И1 Панорамный измеритель

СВЧ

HО2 служат для подачи части мощности из входной и выходной цепей на индикаторный блок, где сигналы сравниваются. Аттенюатор A1 служит для изменения мощности, возбуждающей первый резонатор. Градуировочный график этого аттенюатора выдается лаборантом. Основная доля выходной мощности рассеивается в нагрузке Z , снабжённой радиатором. Направленный ответвитель НО3 с детекторной секцией Д, подсоединенной к индикатору, И2 служат для индикации уровня выходной мощности при работе прибора в режиме непрерывной генерации, когда нельзя использовать индикаторный блок панорамного измерителя. Для измерения температуры коллектора используется термопара с индикатором И1.

Коэффициент усиления μс учетом ослабления, вызванного включением аттенюатора А2, определяется по панорамному измерителю. Это ослабление составляет 40 дБ. Поэтому при использовании панорамного измерителя

μ μи 40,

где μи – показания индикаторного прибора панорамы.

24

вляется источником переменного тока с напряжением 6.3 В.

2.4.Программа работы и указания к ее выполнению

1.Исследовать работу клистрона при синхронной настройке резонаторов.

1.1.Исследовать зависимость формы АЧХ от уровня входной мощности.

Зарисовать соответствующие осциллограммы. Определить полосу рабочих частот f f0 .

1.2. Измерить амплитудную характеристику клистрона на трех частотах: f0 , f0 0.5 f , f0 0.5 f ( f полоса рабочих частот для оптимального уровня Pвх ).

2. Исследовать работу клистрона в режиме максимального КПД.

2.1.Повторить операции п. 1 данного раздела.

2.2.Измерить максимальную выходную мощность, рассчитать КПД.

2.3.Измерить и сравнить температуру коллектора в двух случаях: при поданной мощности возбуждения и без нее.

2.4.Зарисовать эскиз резонатора, измерить основные размеры пространства взаимодействия.

Порядок работы с приборами и последовательность измерений осуществляется по специальной инструкции, выдаваемой преподавателем в начале лабораторной работы.

2.5.Содержание отчета

1.Амплитудно-частотные характеристики прибора в линейном режиме и режиме максимального КПД для разных уровней входной мощности.

2.Амплитудные характеристики для тех же режимов на частотах f0 ,

25

f0 0.5 f , f0 0.5 f .

3.Расчет коэффициента полезного действия и полосы рабочих частот.

4.Расчет угла пролета между центрами зазоров в двухзазорном резонаторе.

5.Сравнение измеренного коэффициента усиления и рассчитанного по формуле (2.6).

6.Выводы по работе.

2.6.Контрольные вопросы

1.Назовите основные конструктивные элементы клистрона и их функциональное назначение.

2.Объясните, в чем различие физических явлений, происходящих в зазоре резонатора и в пространстве дрейфа.

3.Как влияет характеристическое сопротивление резонатора и нагрузочная добротность Qн на величину СВЧ-напряжения на зазоре?

4.Объясните, в чем различие процессов, происходящих во входном, промежуточном и выходном резонаторах.

5.Назовите основные параметры и характеристики прибора и метод их измерения.

3.ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО КЛИСТРОНА

Цель работы: ознакомление с конструкцией и принципом действия отражательного клистрона, изучение его основных параметров и характеристик.

3.1.Основные теоретические положения

Влабораторной работе исследуется отражательный клистрон сантиметрового диапазона, который применяется в качестве гетеродина в приемниках СВЧ-диапазона, в измерительной, радиорелейной и другой аппаратуре. Широкому внедрению отражательных клистронов в технику СВЧ способствовали такие их достоинства, как простота конструкции, возможность механической перестройки частоты и, в особенности, способность практически безынерционно изменять частоту генерируемых колебаний при изменении потенциала на отражателе. Это позволяет применять отражательные клистроны в схемах с автоматической подстройкой частоты, а также для частотной моду-

ляции СВЧ-сигнала. Основной недостаток отражательного клистрона – ма-

26

лый КПД, составляющий несколько процентов; ввиду этого отражательные клистроны используются в маломощных схемах с выходной мощностью от десятков милливатт до нескольких ватт [6], [7].

В отражательных клистронах, как и в пролетных, используется динамический метод управления плотностью электронного тока. Устройство и

a

Uà

0

Рис. 3.1

принцип действия прибора поясняет рис. 3.1, а. Основные конструктивные узлы отражательного клистрона: электронная пушка 1, состоящая из термокатода, фокусирующего электрода и ускоряющей сетки (анода), тороидальный объемный резонатор 2 и отражатель 3. Распределение потенциала в отражательном клистроне показано на рис. 3.1, б. На анод подается положительное напряжение Ua – относительно катода, на отражатель – отрицательное напряжение Uотр .

Время пролета электронов в пространстве «резонатор–отражатель» τ зависит от потенциала отражателя Uотр , и в рассматриваемом случае двум зна-

чениям потенциала отражателя Uотр1 и Uотр2 соответствуют времена пролета τ 1 и τ 2 .

27

3.1.1. Стационарный режим работы отражательного клистрона

Электронная пушка формирует поток электронов с энергией eUa . Элек-

троны со скоростью v0 2 em Ua влетают в зазор резонатора, в котором

существуют высокочастотные колебания. В зазоре происходит скоростная модуляция потока. Электроны, проходящие зазор в ускоряющий полупериод, приобретают дополнительную энергию от высокочастотного электрического поля и выходят из зазора со скоростью, большей v0 . Электроны, проходящие зазор при нулевом значении высокочастотного поля, не изменяют своей скорости. Те электроны, которые пролетают зазор резонатора при тормозящем поле, отдают часть своей энергии высокочастотному полю и выходят из резонатора со скоростью, меньшей v0 .

а

t

τ 1

τ 2

б

Рис. 3.2

В пространстве между резонатором и отражателем все электроны тормозятся полем отражателя до полной остановки и возвращаются обратно к резонатору. Из-за различия начальных скоростей начнется модуляция плотности заряда, т.е. в этом пространстве происходит группирование электронного потока. Ускоренные в резонаторе электроны, обладая большей энергией, подходят ближе к отражателю, их путь и время движения в пространстве группирования будет больше, чем у замедленных электронов.

28

На рис. 3.2 показало распределение потенциала между резонатором и отражателем для двух значений потенциала отражателя Uотр1 и Uотр2 . Здесь

же представлен график высокочастотного напряжения на зазоре резонатора и пространственно-временная диаграмма движения электронов. Как видно из рисунка, электроны, прошедшие зазор резонатора в разные моменты времени, возвращаясь обратно к резонатору, сближаются, образуя группы (сгустки). Электронный поток, имевший первоначально постоянную плотность, преобразуется в последовательность сгустков. Частота следования сгустков соответствует частоте модулирующего поток высокочастотного напряжения на зазоре резонатора. Для поддержания колебаний в резонаторе необходимо, чтобы сгусток возвращался в зазор резонатора в тормозящий полупериод высокочастотного напряжения. При торможении сгустка происходит передача энергии от электронного потока полю резонатора. Поскольку сгустки содержат большую часть электронов потока, передаваемая электромагнитному полю энергия будет больше, чем потери на ускорение электронов, не входящих в сгусток и пролетающих зазор резонатора в ускоряющий полупериод.

Следует заметить, что если в какой-то полупериод поле является ускоряющим для электронов, идущих от катода, то это же поле будет тормозящим для электронов, возвращающихся в резонатор от отражателя.

Из пространственно-временной диаграммы видно, что условие поддержания колебаний в резонаторе может выполняться при различных напряжениях на отражателе, для которых время пролета электронов в пространстве группирования τ отличается на период высокочастотного напряжения T . В общем случае

Здесь n – число периодов колебаний за время пролета электронов. Время пролета электронов в пространстве группирования может быть рассчитано по формуле [10]:

тора до отражателя в сантиметрах. Если время пролета заметно отличается от τ , то колебания в резонаторе не поддерживаются. Рабочая характеристика отражательного клистрона имеет вид отдельных зон (рис. 3.3). Номер зоны здесь соот-

29

ветствует числу периодов n в формуле (3.1). В пределах рабочей зоны частота и уровень генерируемой мощности зависят от напряжения отражателя.

Эффект изменения частоты называется электронной перестройкой частоты и объясняется тем, что при отклонении напряжения отражателя от оптимального сгустки приходят не в максимум тормозящего поля, а раньше или позже. Это приводит к сдвигу фазы между током и напряжением в резонаторе, причем в контур вносится некоторая реактивная проводимость, вызывающая изменение частоты генерации (рис. 3.3).

P n 2

n 3

n 4

Uотр

f

Uотр

Рис. 3.3

Электронная настройка характеризуется диапазоном и крутизной. Диапазон электронном настройки f определяется на уровне половинной мощности для каждой зоны генерации. Крутизна электронной настройки для середины зоны может быть рассчитана по формуле

π n 0,75

S f f0 Qн Ua Uотр ,

где f0 – частота, соответствующая середине зоны генерации, n – номер зоны, ( Qн – нагруженная добротность резонатора, Ua и Uотр – потенциалы ре-

зонатора и отражателя.

3.1.2. Самовозбуждение колебаний

Возбуждение колебаний в резонаторе отражательного клистрона происходит при условии, что потенциал отражателя соответствует рабочей зоне.

30