Методы / El-Vac Devices of UHF 11 Full

4.6.Контрольные вопросы

1.Что такое условие синхронизма?

2.Как зависит коэффициент усиления ЛБВ от ускоряющего напряжения на аноде и замедляющей системы?

3.Опишите методику измерения коэффициента усиления ЛБВ.

4.Опишите методику измерения дисперсионной характеристики лампы.

5.Расскажите о способах использования дисперсионных характеристик для выбора рабочих режимов ЛБВ.

5.ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ

ВОЛНЫ

Цель работы: ознакомление с принципом действия и устройством лампы обратной волны (ЛОВ) типа «О» и исследование ее выходных характеристик.

5.1. Основные теоретические положения

5.1.1. Принцип действия ЛОВ

ЛОВ относится к электронным приборам СВЧ с длительным (распределенным) характером взаимодействия электронного потока и медленной электромагнитной волны. Замедление волны достигается применением специальных электродинамических структур, называемых замедляющими системами (ЗС). ЗС, используемые в современных приборах СВЧ, как правило, представляют собой периодические структуры с некоторым пространственным периодом D . Распространяясь, электромагнитная волна в ЗС создает продольное (вдоль направления дрейфа электронного потока) электрическое поле Ez , имеющее фазовый сдвиг φ0 на расстоянии периода D [5]. Важно отметить, что пространственное распределение этого поля вдоль оси z имеет существенно неоднородный характер. Электронный поток со скоростью v0 , попадая в такое пространственно-периодическое поле, будет испытывать на себе воздействие этого поля подобно колебательной системе, на которую воздействуют серией импульсов. Электронный поток «почувствует» только ту пространственную Фурье компоненту (составляющую) поля, которая находится в синхронизме с его собственной скоростью.

Для выделения этой составляющей необходимо разложить в ряд Фурье

41

распределение амплитуды продольной составляющей электрического поля Ezm z по пространственным гармоникам с периодом D :

При этом скорость распространения энергии волны (а не ее фазы) для всех гармоник с номером p будет одинакова:

vгр β p ω 1 φ0 ω 1.

Важно отметить, что фазовая и групповая скорости гармоник могут иметь не только разную величину, но и разный знак. Из приведенных рассуждений становится ясно, что выполнение условия (5.2) возможно как при одинаковых знаках v p и vгр , так и при разных. В первом случае (vгр 0) направление распро-

странения энергии волны и скорости потока v0 будут совпадать, во втором0) будут противоположны. Первый случай характерен для взаимодействия

волны с потоком в лампах бегущей волны, второй – в лампах обратной волны. При синхронизме электронного потока с одной из пространственных

гармоник происходит явление группировки, т. е. в потоке появляется переменная составляющая конвекционного тока. Естественно, что эта компонента будет возбуждать в электродинамической системе волну, воздействующую на поток. При противоположном направлении скорости электронов и направлении распространения энергии волны электронный поток выступает как своеобразный элемент обратной связи. При некоторых значениях тока луча

, достаточного для компенсации потерь в системе, возможно возник-

новение генерации СВЧ-колебаний.

Схема построения прибора, реализующего такую ситуацию, показана на

42

рис. 5.1. Электронный поток 3, создаваемый катодом 1, движется слева направо к коллектору 6. Замедляющая система 4 нагружена на согласующее

можно получить изменение генерируемой

частоты ω в соответствии с дисперсионной зависимостью vp f ω ис-

пользуемой ЗС. Диапазон такой электронной настройки Δωω промышленных образцов ЛОВ может составлять октаву и более. По этому параметру ЛОВ не имеет аналогов среди генераторов СВЧ. Однако специфика взаимодействия электромагнитной волны и потока такова, что ЛОВ имеют низкий коэффициент полезного действия η. Это вызвано тем фактом, что нарастание амплитуды электромагнитной волны происходит справа налево (в соответствии с направлением vгр ), а нарастание переменного конвекционного тока

(группировки) – слева направо (в соответствии с направлением v p ). Макси-

мальное значение КПД, предсказываемое теорией, составляет

нием связи. В целях повышения КПД необходимо обеспечить наиболее эффективное взаимодействие обратной волны с электронным потоком. Такая волна должна быть основной, т. е. иметь наибольшую фазовую скорость, т. к. при этом сопротивление связи максимально. Для p -й пространственной гармоники эта величина характеризует связь между продольной составляющей поля Ezmp z в месте расположения потока и мощностью электромагнитной

43

волны в ЗС – P :

E2

Rсв zmp (5.5) 2Pβ2p

Из (5.3) – (5.5) видно, что для получения ЛОВ с хорошими энергетическими параметрами необходимо подбирать системы с высоким сопротивлением связи Rсв . Учитывая тот факт, что поле Ezmp z экспоненциально

убывает с увеличением расстояния от ЗС, необходимо максимально приближать электронный поток к ЗС, а также увеличивать периферию потока, применяя ленточные или полые цилиндрические потоки.

ЛОВ типа «О» отличается от ЛБВ главным образом устройством замедляющей системы и расположением поглотителя, который находится в «коллекторном» конце генераторной ЛОВ в виде согласованной нагрузке 5. Вывод энергии при этом обеспечивается через элемент связи 2 с «катодной» стороны лампы.

В качестве замедляющей системы чаще всего применяют ЗС встречноштыревого типа или двухзаходные спирали.

5.1.2. Основные характеристики ЛОВ

Как уже указывалось, ЛОВ целесообразно использовать в качестве перестраиваемого генератора СВЧ-колебаний малой и средней мощности. Диапазон перестройки определяется следующим отношением:

Важным параметром является крутизна электронной настройки

U ω Ua ω Ua ,

показывающий степень перестройки по частоте.

Изменение тока луча I0 несущественно, но все же влияет на частоту генерации. Такое явление, которое можно характеризовать некоторой крутизной, называется электронной подстройкой:

I ω Δω .

I0 I0

Важнейшим параметром для ЛОВ является КПД

44

где P – мощность СВЧ-колебаний.

В эксплуатационных характеристиках указывается также минимальный (пусковой) ток I0пуск , при котором начинается генерация.

На работу ЛОВ в тракте СВЧ оказывает влияние уровень отражений от нагрузки, особенно в тех случаях, когда согласование ЗС на коллекторном конце (рис. 5.1) сделано некачественно. Возникает явление затягивания частоты, что в первую очередь проявляется в неравномерности зависимости выходной мощности P от частоты.

5.2.Описание объекта исследования

Вработе исследуется ЛОВ типа «О» дециметрового диапазона. На рис. 5.2 показан эскиз прибора без вакуумной оболочки и фокусирующего магнита.

Цилиндрический катод 1 и управляющий электрод 2 формируют трубчатый электронный поток 3, двигающийся вдоль ЗС к коллектору 9. Замедляющая система состоит из винта 5, в пазы которого уложена спираль 7. Такая конструкция эквивалентна двухзаходной спирали с периодом D = 6,5 мм. Коллекторный конец спирали нагружен на согласующее сопротивление 8. Катодный конец спирали 4 переходит в коаксиальную линию, являющуюся выходом СВЧ-энергии. Для крепления спирали используются керамические стержни 6.

Испытуемая ЛОВ имеет также внешний магнит, обеспечивающий необходимый уровень токопрохождения в приборе.

45

5.3. Описание измерительной установки

Блок-схема установки показана на рис. 5.3 и включает в себя стабилизированный источник питания Б1-4 на 300…2500 В источник постоянного и

Б1-4

РВК

6

Б1-4

Рис. 5.4

переменного тока Б7-3, распределительную коробку РК, лампу обратной волны ЛОВ, направленный ответвитель НО, резонансный волномер РВД, осциллограф C1-54, измеритель мощности M3-1. Принцип работы установки иллюстрируется электрической схемой, представленной на рис. 5.4.

Питание на ЛОВ 1 подается с двух источников: Б7-3 (накал, первый анод) и Б1-4 (катод). Сигнал, генерируемый ЛОВ, поступает через переход 2 в на-

46

правленный ответвитель 3. Часть мощности падающей волны с помощью детекторной секции 4 поступает на индикатор или вертикальный вход осциллографа 6 (основная доля мощности рассеивается в оконечном аттенюаторе 5), после которого сигнал попадает на волномер 7. (Для формирования частотной метки подается сигнал от волномера на горизонтальный вход осциллографа.)

Порядок включения и выключения установки, а также рекомендации по использованию измерительных приборов выдаются дополнительно преподавателем или лаборантом.

5.4.Программа работы и рекомендации по ее выполнению

1.Ознакомьтесь с 5.1–5.3 данного пособия. Составьте план исследования ЛОВ и согласуйте его с преподавателем.

2.Исследуйте зависимость выходной мощности ЛОВ P и частоты ге-

нерации f от ускоряющего напряжения Ua для трех токов луча I0 . Рекомендуемые значения величин тока I0 и диапазон изменения Ua задаются преподавателем или лаборантом.

3. Исследуйте зависимость пускового тока I0пуск от ускоряющего на-

пряжения Ua . Для этого воспользуйтесь осциллографом или измерителем мощности для фиксации момента появления генерации.

4. Исследуйте форму зависимости выходной мощности от частоты для разных внешних нагрузок. Так же как и в п. 3, используйте осциллографическую индикацию зоны генерации.

5.5.Содержание отчета

1.Цель работы, схема измерительной установки и эскиз прибора.

2.Экспериментальные зависимости по пп. 2–4 в 5.4.

3.Расчет η f (U0 ) и соответствующий график.

4.Расчет крутизны электронной настройки и подстройки.

5.Дисперсионная зависимость замедляющей системы, построенная в координатах vp f (U0) и cvp f (λ) , где c – скорость света, λ– длина

волны в свободном пространстве, с использованием экспериментальной зависимости ЗС ω f (U0 ) и условия синхронизма (5.2). В расчетах учесть, что данная ЛОВ работает на минус первой пространственной гармонике ( p 1) . В случае затруднения в построении обратитесь к [5].

47

6. Оценка величины Rсв с использованием (5.3) и (5.4) и максимального КПД, полученного в эксперименте.

7. Оценка величины продольной составляющей электрического поля Ezm z для первой пространственной гармоники эффективного напряжения Ezm β в сравнении с ускоряющим напряжением Ua , для случая η = ηmax

8.Анализ изменения формы зон генерации при изменения нагрузки.

9.Выводы по работе.

5.6.Контрольные вопросы

1.В чем принципиальное отличие ЛОВ и ЛБВ?

2.Что такое условие синхронизма?

3.Почему ЛОВ используются чаще как генераторы, а ЛБВ как усилители СВЧ-диапазона?

4.Как можно объяснить изрезанность зависимости выходной мощности ЛОВ от частоты?

5.Почему ЛОВ работает, только начиная с некоторого граничного тока?

6.ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОРЕЗОНАТОРНОГО МАГНЕТРОНА

Цель работы: ознакомление с устройством многорезонаторного магнетрона и принципом его работы, измерение основных параметров и характеристик прибора и исследование их зависимостей от режимов работы.

6.1.Основные теоретические положения

6.1.1.Устройство и принцип работы магнетрона

Основными элементами магнетрона являются: катод К, анод А, вывод энергии. Анод магнетрона представляет собой массивный медный цилиндр, в котором имеются полости сложной конфигурации – резонаторы. На рис. 6.1 представлено распределение электрического высокочастотного поля одного из резонаторов (резонатор типа «щель – отверстие»). Совокупность резонаторов образует колебательную систему магнетрона, последняя из-за наличия сильной связи между резонаторами имеет несколько резонаторных частот, и в ней могут возбуждаться колебания различных видов, отличающиеся длиной волны и распределением электромагнитного поля.

48

янными магнитами или электромагнитами.

Рассмотрим качественно принцип работы многорезонаторного магнетрона. При подаче анодного напряжения электроны, вылетающие из накаленного катода, под воздействием этого напряжения начинают двигаться по направлению к аноду. При отсутствии осевого магнитного поля электроны двигались бы к аноду по радиальным прямым. Наличие магнитного поля приводит к искривлению траекторий электронов в магнетроне в статическом режиме (рис. 6.2).

энергии электронного потока в энергию высокочастотных колебаний. Рассмотрим движение электронов в междуэлектродном пространстве при наличии высокочастотного поля, картина силовых линий которого показана на

49

рис. 6.3. На восходящей части траекторий электрон ускоряется анодным напряжением, его кинетическая энергия возрастает, достигая максимума вблизи вершины траектории. Характер действия высокочастотного поля зависит от его фазы в момент прохождения электрона через среднюю плоскость резонатора (плоскость вв на рис. 6.3). Если высокочастотное поле оказывается тор-

нов отдачи» изображены на рис. 6.3. При повторении условий взаимодействия с высокочастотным полем очередного резонатора он вновь передает полю резонатора часть своей кинетической энергии, останавливается в точке О траектории и начинает следующий цикл движения в сторону анода. Величина энергии, переданной от электрона высокочастотному полю на рассмотренном участке траектории КЛМНО, определяется разностью полной энергии электрона в точках К и О W~ WК WО . Поскольку в точках К и O кинетическая энергия электрона равна нулю, то разность полной энергии равна разности потенциальной энергии в указанных точках. Таким образом,

W~ WК.п WО.п ,

где WК.п и WО.п – потенциальная энергия электрона в точках К и О.

Полагая, что между катодом и анодом приложена разность потенциалов Ua и анод заземлен (потенциал анода Ua 0 ), находим, что потенциал точки К равен UК Ua и потенциальная энергия электрона в этой точке определяется

формулой WК.п eUК eUa . Потенциальная энергия электрона в точке O

50