Методы / El-Vac Devices of UHF 11 Full

При включении клистрона в результате прохождения фронта электронного потока возбуждается электромагнитное поле в резонаторе, которое модулирует поток, проходящий через зазор. Если выполняется фазовое соотношение (3.1), колебания в резонаторе нарастают, в результате усиливается скоростная модуляция и группирование электронов потока в сгустки.

Существует, однако, оптимальное значение модулирующего напряжения, при котором сгусток приобретает наибольшую плотность в момент возвращения в зазор резонатора. Дальнейшее возрастание переменного напряжения на зазоре резонатора приводит к тому, что наибольшая плотность сгустка достигается в пространстве группирования до прихода его в зазор, при этом передача энергии от потока к полю резонатора уменьшается. Качество группирования оценивается

ряющее напряжение, ω– рабочая круговая частота, τ– время пролета электронов в пространство группирования, определяемое по (3.2). Оптимальному сгустку соответствует значение параметра группирования x = 1,84. Соотношение (3.3) определяет значение амплитуды переменного напряжения Um , которая устанавливается на зазоре резонатора при данном времени пролета τ. Поскольку время пролета уменьшается с уменьшением номера зоны генерации, наибольшая амплитуда и выходная мощность получаются для нулевой зоны. Реально отражательные клистроны, особенно в коротковолновой части сантиметрового диапазона, работают в высших зонах, так как для получения нулевой зоны требуется слишком большое отрицательное напряжение на отражателе.

3.2. Конструкция отражательного клистрона

Один из вариантов конструкции металлического отражательного клистрона приведен на рис. 3.4. Здесь: 1 – блок катода, 2 – резонатор, 3 – отражатель, 4 – коаксиальный вывод энергии, который служит элементом связи, возбуждающим колебания в волноводной линии, 5 – настроечный винт, 6 – дугообразные пружины, 7 – стойка, 8 – штенгель, 9 – октальный цоколь. Механическая перестройка частоты производится винтом 5, который с помощью пружины 6 перемещает верхнюю стенку объемного резонатора, вы-

31

полненную в виде гибкой диафрагмы. В результате изменяется объем полости резонатора и его рабочая частота.

3.3. Описание измерительной установки

Принципиальная схема установки для исследования отражательного клистрона (рис. 3.5) включает в себя отражательный клистрон 1, блок питания 2, линию передачи 3, измеритель малой мощности 4, волномер 5, детек-

торную секцию 6, осциллограф 7. Установка позволяет измерить мощность и частоту генерируемых отражательным клистроном колебаний при различных значениях напряжений на резонаторе и отражателе. Применение осциллографа дает возможность наблюдать зоны генерации отражательного клистрона при подаче на отражатель пилообразного напряжения. Детально описание работы на измерительной установке приведено в «Инструкции по включению установки и проведению измерений».

3.4.Программа работы и указания по ее выполнению

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

32

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 точках рабочего диапазона.

5.Настроить схему измерений. Зарисовать зоны генерации клистрона. Перестраивая волномер, получить частотную метку на экране осциллографа

иизмерить 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

33

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 v и фазовой скорости электромагнитной волны v p . 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 которых v p слабо зависит от частоты. Это позволяет обеспе-

чить 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 %.

Ez

z

Рис.4.1

Рассмотрим механизм преобразования энергии электронного потока в ЛБВ. На рис. 4.1 показаны зависимости продольной составляющей электрического поля волны от координаты и силы Fz eEz действующей на электроны, движущиеся в поле волны. Фазовая скорость волны без потока v p0 и

34

одинаковы, поэтому электроны неподвижны относительно волны. Электрическое поле волны, воздействуя на электроны, увеличивает скорости тех из них, которые находятся в ускоряющем поле (Fz 0) , и уменьшает скорости электронов, находящихся в тормозящем поле (Fz 0) . 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 Γ α jβ . Одна из этих волн по мере распространения нарастает α 0 и таким образом обеспечивает усиление сигнала. Коэффициент усиления ЛБВ с ЗС с длиной l определяется по формуле [2], [3].

ент, учитывающий, какая часть входной мощности приходится на нарастающую волну.

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

(4.2)

где βe ωv0 – «электронная» фазовая постоянная, определяющая скорость движения, C 30,25I0Rc U0 – параметр усиления Пирса, Rc – сопротивление связи ЗС, U0, I0 – ускоряющее напряжение и ток электронного луча.

Значение , в свою очередь, определяется величиной пространственного заряда в потоке, постоянной затухания «холодной» ЗС α0 и па-

35

раметром несинхронности

Χ

4QC 0

0,8

0,75

0,6

1,5

0,4

3,0

4,5

0,2

ции, зависящий от радиуса пролетного канала a1, радиуса потока a2 и фазо-

p – первеанс, мкАВ32 , F – площадь сечения электронного потока, мм2 . Как видно на рис. 4.2, значение сильно зависит от параметра несин-

хронности b , величина которого на данной частоте определяется скоростью электронов v0 , т. е. ускоряющим напряжением. При малых значениях пара-

36

метра пространственного заряда b bopt 0 , при этом max 32 . При увеличении параметра QC оптимальное значение b увеличивается, максимальное значение уменьшается, сужается область значений параметра b , в которой 0 (область усиления). В этом проявляется вредное влияние пространственного заряда на процессы группирования в ЛБВ.

S

0,6

0,4

Постоянная A также зависит от b и QC . При малых QC и b bopt получим A 13 , т. е. напряженность поля входного сигнала делится поровну между тремя волнами. Холодное затухание сигнала в спирали можно приближенно учесть, введя эффективный параметр

Χэф = Χ- α3 ,

где α α0 (βeC) – 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:

μ L D 54,5Χэф С N ,

где L 20lg A , D – затухание, обусловленное сосредоточенным поглотителем, размещаемым внутри ЛБВ для предотвращения отраженных волн,

37

не ЗС – l . Для малых значений QC и b 0 обычно L 9,54 , D 6 . Тогда

μ 47,3 CN 15.54

Максимальная выходная мощность и коэффициент полезного действия ЛБВ могут быть определены только с помощью нелинейной теории. Приближенные оценки дают значение КПД η (2...3)C .

4.2.Описание конструкции исследуемой ЛБВ

Вработе исследуется маломощная ЛБВ со спиральной замедляющей системой. Она имеет пакетированную неразборную конструкцию, т. е. все узлы лампы заключены в компактную металлическую оболочку.

Конструкция ЛБВ, показанная на рис. 4.4, имеет два основных узла: собственно ЛБВ, состоящую из электронной пушки 1, спиральной ЗС 3 и анода 10, заключенных в вакуумную стеклянную оболочку (баллон) 7, и магнитную фокусирующую систему реверсного типа, содержащую намагниченные во встречных направлениях магниты 11, полюсные наконечники 2, 5 и 9 и выравнивающие кольца 12. Связь ЛБВ с внешними цепями осуществляется с помощью волноводных переходов 4 и 8. Спиральная замедляющая система крепится в стеклянном баллоне лампы с помощью керамических стержней (опор) 6. Металлический корпус 13, резиновый изолятор 14 предохраняют внутренние части прибора от влияния внешней среды и придают жесткость всей конструкции. Поглощающая вставка – 15.

38

4.3. Описание измерительной установки

Установка для измерения характеристик и параметров ЛБВ (рис. 4.5) состоит из задающего генератора Г1, сигнал с которого через аттенюатор A1 поступает на щелевой мост М. С плеча 3 этого моста эталонный сигнал через вентиль В поступает в канал 1 волноводного переключателя П. С плеча 4 моста сигнал через аттенюатор А2 поступает на вход ЛБВ. С выхода ЛБВ через аттенюатор A3 сигнал поступает в канал 2 переключателя П. Каналы 1 и 2 переключателя П соединяются с детекторной головкой Д, подключенной ко входу осциллографа Осц.

При равенстве сигналов, поступающих с каналов 1 и 2, коэффициент усиления ЛБВ, очевидно, равен сумме показаний аттенюаторов А2 и A3. Наличие аттенюатора A3 на выходе ЛБВ позволяет измерить коэффициент усиления при различных уровнях входной мощности, задаваемой аттенюаторами A1 и А2. При определении коэффициента усиления необходимо учитывать коэффициент деления мощности мостов М, значения которого приводятся в «Инструкции по включению измерительной установки».

39

4.4.Программа работы и указания по ее выполнению

1.На средней частоте диапазона снять амплитудную характеристику

ЛБВ в двух режимах: при номинальном токе катода Iк Iк.ном и при Iк 0,5Iк.ном . Для каждого тока определить точку максимальной выходной мощности и снять одну – две точки на падающем участке характеристики. Напряжение на спирали поддерживать в каждом случае постоянным, равным оптимальному при малом сигнале.

2.При двух уровнях входной мощности, соответствующих: а) линейному участку амплитудной характеристики и б) участку насыщения выходной мощности, снять амплитудно-частотные характеристики ЛБВ при постоянном напряжении на спирали.

3.Получить дисперсионную характеристику замедляющей системы, для чего снять зависимость оптимального напряжения на спирали от частоты при токе катода Iк 0,5Iк.ном и минимально возможном уровне входной

мощности.

4.На средней частоте диапазона снять зависимость коэффициента усиления и оптимального напряжения на спирали от катодного тока при двух указанных выше уровнях входной мощности.

5.При тех же условиях, что и в п. 4, снять зависимость коэффициента

усиления от напряжения на спирали для двух значений катодного тока

Iк Iк.ном и Iк 0,5Iк.ном

4.5. Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Схему и краткое описание измерительной установки, условное обозначение ЛБВ и ее паспортные данные.

3.Дисперсионная характеристика ЗС ЛБВ, построенная в координатах n , λ( n – коэффициент замедления).

4.Сопротивление связи ЗС для условий п. 5. из 4.4.

5.Параметр усиления C для средней и крайних частот диапазона при двух значениях тока катода ЛБВ.

6.Результаты исследования, оформленные в виде таблиц и графиков. Таблицы

играфики должны быть снабжены заголовками и необходимыми пояснениями.

40