МИНОБРНАУКИ России
«Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет «ЛЭТИ»
им. В.И. Ульянова (Ленина)»
кафедра МВЭ
Отчет
по лабораторной работе №5
«ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ»
__________
__________
Выполнили: __________
__________
__________
Преподаватель: __________ Калмыков Н. С.
Санкт-Петербург
2026
Цель работы: ознакомление с принципом действия и устройством лампы обратной волны (ЛОВ) типа «О» и исследование её выходных характеристик.
Принцип действия ЛОВ:
ЛОВ относится к электронным приборам СВЧ с длительным (распреде ленным) характером взаимодействия электронного потока и медленной электромагнитной волны. Замедление волны достигается применением специальных электродинамических структур, называемых замедляющими системами (ЗС).
ЛОВ целесообразно использовать в качестве перестраиваемого генератора СВЧ-колебаний малой и средней мощности. Диапазон перестройки определяется следующим отношением:
где ωмакс, ωмин – максимальная и минимальная частота генерации, ωср - средняя (центральная) частота диапазона.
Описание объекта исследования:
В работе исследуется ЛОВ типа «О» дециметрового диапазона. На рисунке 1 показан эскиз прибора без вакуумной оболочки и фокусирующего магнита.
Рисунок 1 – Эскиз ЛОВ без вакуумной оболочки
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.
Описание измерительной установки:
Блок-схема установки показана на рисунке 2 и включает в себя стабилизированный источник питания Б1-4 на 300…2500 В источник постоянного и переменного тока Б7-3, распределительную коробку РК, лампу обратной волны ЛОВ, направленный ответвитель НО, резонансный волномер РВД, измеритель мощности M3-1.
Рисунок 2 – Блок-схема установки
Обработка результатов
В ходе проведения измерения была исследована зависимость выходной мощности ЛОВ от ускоряющего напряжения, путём изменения подогрева термисторного моста. Результаты измерений приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Мощностные характеристики ЛОВ
I0, мА |
30 |
35 |
40 |
Ua, В |
P, мВт |
||
300 |
61 |
100 |
109 |
350 |
47 |
65 |
75 |
400 |
84 |
111 |
136 |
450 |
91 |
125 |
157 |
500 |
135 |
185 |
216 |
550 |
150 |
210 |
258 |
600 |
110 |
186 |
246 |
Построение зависимостей по наблюдаемым значениям:
Рисунок 3 – Зависимость выходной мощности от ускоряющего напряжения для трёх токов пучка
Рассмотрим поведение КПД лампы, при изменении ускоряющего напряжения.
Опустим вычисления и занесём результаты в таблицу 2:
Таблица 2 – КПД ЛОВ
I0, мА |
30 |
35 |
40 |
Ua, В |
η * 103 |
||
300 |
6.78 |
10.38 |
9.08 |
350 |
4.48 |
6.12 |
5.36 |
400 |
7.00 |
9.71 |
8.50 |
450 |
6.74 |
9.97 |
8.72 |
500 |
9.00 |
12.34 |
10.80 |
550 |
9.09 |
13.40 |
11.73 |
600 |
6.11 |
11.71 |
10.25 |
Построение зависимости:
Рисунок 4 – Зависимость КПД лампы от ускоряющего напряжения
В работе исследуются выходные характеристики ЛОВ. Они в свою очередь определяются взаимодействием электронного пучка с замедляющей системой. Коэффициент связи системы Rсв – величина, показывающая эффективность взаимодействия пучка с замедляющей системой. Оценим эту величину:
[1]
где
[1]
Тогда:
Была снята зависимость частоты генерации ЛОВ – частота СВЧ колебаний, которые лампа возбуждает и подаёт на выход, от ускоряющего напряжения:
Таблица 3 – Частотная характеристика ЛОВ
Ua, В |
350 |
400 |
450 |
500 |
550 |
600 |
650 |
f, ГГц |
1.110 |
1.180 |
1.235 |
1.290 |
1.340 |
1.390 |
1.430 |
При этом I0 = 45 мА
Построение зависимости:
Рисунок 5 – Зависимость частоты генерации от ускоряющего напряжения
Изменение частоты генерации ЛОВ за счёт изменения параметров пучка – электронная подстройка. Оценим эту величину
Пример расчёта для первых двух значений:
[1]
Опустим расчёты для остальных Ua и результаты занесём в таблицу 4.
Таблица 4 – Значений крутизны электронной настройки
U1, В |
U2, В |
ω1, Рад/нс |
ω2, Рад/нс |
Δω, Рад/мкс*В |
350 |
400 |
2π*1.11 |
2π*1.18 |
8.796 |
400 |
450 |
2π*1.18 |
2π*1.235 |
6.912 |
450 |
500 |
2π*1.235 |
2π*1.29 |
6.912 |
500 |
550 |
2π*1.29 |
2π*1.34 |
6.283 |
550 |
600 |
2π*1.34 |
2π*1.39 |
6.283 |
600 |
650 |
2π*1.39 |
2π*1.43 |
5.027 |
Рассмотрим дисперсионную зависимость замедляющей системы:
Расчёт фазовой скорости:
[2]
Таблица 5 – Дисперсионная характеристика ЛОВ
Ua, В |
350 |
400 |
450 |
500 |
550 |
600 |
650 |
f, ГГц |
1.110 |
1.180 |
1.235 |
1.290 |
1.340 |
1.390 |
1.430 |
λ, м |
0.270 |
0.253 |
0.243 |
0.232 |
0.224 |
0.216 |
0.210 |
vp*10-7, м/с |
1.094 |
1.186 |
1.258 |
1.326 |
1.391 |
1.453 |
1.512 |
c/Vp |
27.04 |
25.29 |
23.85 |
22.62 |
21.57 |
20.65 |
19.84 |
Построение зависимости:
Выбор системы координат: Vp=f(Ua) и c/Vp = f(λ)
Рисунок 6 – Дисперсионная зависимость замедляющей системы в координатах Vp=f(Ua)
Рисунок 7 – Дисперсионная зависимость замедляющей системы в координатах c/Vp = f(λ)
Замедляющая система взаимодействует с полем через неоднородное поле. Оценим величину продольной составляющей первой гармоники разложения в ряд Фурье поля замедляющей системы:
Оценка для случая максимальной эффективности лампы: ηmax = 13.4 * 10-5
Такой случай наблюдается при Ua = 550 В. Тогда из формулы:
[1]
Из отношения фазовой скорости:
Тогда:
В ходе измерений была рассмотрена зависимость значений пускового тока – значения тока электронного пучка, при которых в лампе возникают СВЧ колебания, от ускоряющего напряжения.
Таблица 6 – Пусковая характеристика ЛОВ
Iпуск, мА |
15 |
20 |
20 |
26 |
33 |
Ua, В |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
Построение зависимости:
Рисунок 8 – Зависимость пускового тока от ускоряющего напряжения
Вывод
В ходе лабораторной работы были исследованы рабочие характеристики лампы обратной волны типа «О» и определены режимы, при которых обеспечивается наиболее эффективная генерация СВЧ-мощности.
Эксперимент показал, что увеличение ускоряющего напряжения и тока пучка приводит к росту выходной мощности лампы. Наиболее устойчивый и эффективный режим работы наблюдался в диапазоне ускоряющих напряжений 500–550 В. При дальнейшем увеличении напряжения рост мощности замедляется, что указывает на ухудшение условий взаимодействия электронного пучка с замедляющей системой.
Максимальное значение КПД было получено при Ua ≈ 550 В. Следовательно, данный режим можно считать оптимальным для работы исследуемой ЛОВ, так как в нём достигается наилучшее преобразование энергии электронного потока в СВЧ-излучение.
Исследование частотной характеристики подтвердило возможность электронной перестройки частоты генерации. При увеличении ускоряющего напряжения частота возрастает практически линейно, что позволяет использовать ЛОВ в качестве перестраиваемого генератора СВЧ-колебаний.
Построенные дисперсионные характеристики показали рост фазовой скорости волны с увеличением ускоряющего напряжения. Полученные результаты соответствуют теоретическим представлениям о работе спиральной замедляющей системы.
Построенные дисперсионные характеристики показали рост фазовой скорости волны с увеличением ускоряющего напряжения. Также установлено увеличение пускового тока генерации при росте ускоряющего напряжения.
В результате работы исследованы зависимости выходной мощности, КПД и частоты генерации ЛОВ от ускоряющего напряжения, а также подтверждена возможность электронной перестройки частоты.
.
Источники
Григорьев А. Д. Микроволновые приборы и устройства: методические указания к лабораторным работам / А. Д. Григорьев, В. А. Иванов, А. А. Коломийцев, С. И. Молоковский, В. Б. Янкевич; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ». — Санкт-Петербург: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006. — 80 с. — УДК 621.385.6(076).
Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. М.: Высш. шк., 1973.