Милованов Лабораторный практикум по СВЧ 2007

Разделив и умножив выражение (3.19) на 1−|S11|2, получим:

где первый член характеризует потери, связанные с отражением, а второй член – с рассеянием высокочастотной мощности в рассматриваемом четырехполюснике.

Потери, обусловленные рассеянием, можно записать и в такой форме:

Следует иметь в виду, что в зависимости от направления распространения энергии потери, обусловленные рассеянием, будут разные. Так, выражение (3.20) имеет силу, если эксперимент проводился при подсоединении генератора к зажимам 2−2', а подвижного короткозамыкающего поршня – к зажимам 1−1' (см. рис.3.2). При изменении положения генератора и коротко-замыкающего поршня определяется затухание уже между сечениями 1−1' и 2−2', и соответствующая формула имеет вид:

Это подтверждается выводом формулы (3.9).

Рассмотренный метод определения элементов матрицы рассеяния отличается достаточно высокой точностью и универсальностью. Он может успешно применяться и при исследовании n-полюсных устройств. Точность метода возрастает с уменьшением интервалов между соседними положениями короткозамыкателя, поскольку уменьшаются погрешности измерений при последующей графической обработке.

Кроме метода узлового сдвига, элементы матрицы рассеяния могут быть определены и другими методами. Так, в настоящей работе предлагается независимо определить элемент S11 (S22) по данным измерения коэффициента стоячей волны при нагружении вы-

41

ходного (или входного) конца четырехполюсника (или их соединения) на хорошо согласованную поглощающую нагрузку. При малых отражениях от четырёхполюсника элемент S12 легко и достаточно точно находится по данным измерения затухания методом отношения мощностей.

Заметим, что при рассогласовании исследуемого четырёхполюсника, невозможно из данных измерений, полученных методом отношения мощностей, выделить потери на рассеяние, т.е. затруднительно вычислить элемент S12. На рис. 3.6 представлены схемы измерения полных потерь.

Рис. 3.6. Функциональная схема измерения потерь по методу отношения мощностей:

а – калибровка измерительного тракта; б – измерение полных потерь

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Функциональная схема экспериментальной установки для определения параметров четырехполюсников по методу узлового сдвига представлена на рис. 3.2. Она состоит из СВЧ генератора, элек- тронно-счетного частотомера с преобразователем частоты, коакси-

42

ально-волноводного перехода, развязывающего аттенюатора, щелевой измерительной линии, исследуемого узла и подвижного короткозамыкателя. Для проведения градуировки измерительной линии прилагается закорачивающая пластина и согласованная нагрузка. Требуется хорошая развязка генератора от остальной части схемы, поскольку сопротивление схемы в процессе измерения значительно меняется.

В качестве объектов исследования предлагаются различные четырехполюсники, обладающие потерями и рассогласованные по входу и выходу.

Для прямого измерения элементов матрицы рассеяния S11 и S22 в схеме рис. 3.2 вместо короткозамыкающего поршня ставится поглощающая нагрузка.

Измерение полных потерь проводятся по схеме, представленной на рис. 3.6.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Вариант A. Измерение модулей коэффициентов матрицы рассеяния прямым методом

А1. Ознакомиться с работой генератора, частотомера, измерительной линии и элементами высокочастотного тракта.

А2. Собрать схему для градуировки измерительной линии, состоящую из генератора, линии и короткозамыкателя. Установить по частотомеру указанную преподавателем частоту. Настроить генератор и детекторную головку измерительной линии на эту частоту. Отградуировать детектор измерительной линии и отметить ее условный конец.

А3. Собрать схему по рис. 3.5,б. Поместить исследуемый четы- рех-полюсник между измерительной линией и согласованной поглощающей нагрузкой. Измерить коэффициент стоячей волны от него при положениях, когда входные, а затем выходные зажимы соединены с выходными зажимами измерительной линии.

А4. Собрать схему установки по рис. 3.6,а. Установить максимальное показание прибора, связанного с детекторной головкой

43

линии при положении зонда в пучности стоячей волны. Зафиксировать положение аттенюатора и элементов настройки измерительной линии. По градуировочной кривой определить Emax1 и Emin1.

А5. Собрать схему по рис. 3.6,б. Найти максимальное и минимальное показания индикаторного прибора, связанного с измерительной линией. По градуировочному графику линии определить Emax2 и Emin2. Полные потери в четырехполюснике вычислить по формуле:

Вариант Б. Измерение коэффициентов матрицы рассеяния методом узлового сдвига

Б1. Выполнить градуировку измерительной линии (пп. A1 и A2 предыдущего задания).

Б2. Собрать схему в соответствии с рис. 3.2, включив в нее в качестве четырехполюсника предложенное преподавателем устройство.

Б3. Провести измерения коэффициента стоячей волны и положения минимума его при положениях короткозамыкающего поршня на расстояниях λв/8 друг от друга на длине λв/2. Убедиться что результаты измерений для двух положений коротко-замыкающего поршня, отличающиеся на λв/2 (первая и последняя точки) совпадают. При проведении полного цикла измерений отмечать положение одного и того же минимума стоячей волны в измерительной линии. Если этот минимум уходит за пределы рабочей части линии, следует фиксировать соседний минимум и учитывать, что он отстоит от первоначального на λв/2. Нанести результаты измерений на круговую диаграмму сопротивлений и показать преподавателю.

Б4. Поменять местами входные и выходные зажимы исследуемого устройства. Провести измерения, аналогичные рассмотренным в п. А3.

44

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Вариант А

1.Привести в отчете результаты градуировки измерительной линии.

2.Представить результаты вычисления полных потерь четырёхполюсника по методу отношения мощностей и элементы матрицы

рассеяния |S11| и |S22|. Используя формулу (3.21) определить элемент

|S12|.

Вариант Б

1.Привести в отчете результаты градуировки измерительной линии, измерений КСВ и фазы стоячей волны в функции положения короткозамыкателя.

2.Рассчитать в соответствии с приведенными построениями и формулами коэффициенты матрицы рассеяния и их фазовые значения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Поясните физический смысл коэффициентов матриц рассеяния и передачи на примере четырехполюсных устройств.

2.Почему при нахождении матрицы рассеяния каскадно соединенных четырехполюсников нельзя перемножить матрицы рассеяния отдельных четырехполюсников, а следует переходить к матрицам передачи? Как это осуществляется?

3.Как следует выбирать положения опорных плоскостей на входе и выходе четырехполюсника с точки зрения рационального определения фазовых углов коэффициентов рассеяния?

4.Каким образом можно измерить потери на рассеяние в четырехполюсном устройстве при наличии отражений по входу и выходу?

5.Изобразите на круговой диаграмме сопротивлений окружности изображений случаях четырехполюсника без потерь и с значительными потерями.

45

6.Приведите примеры невзаимных и несимметричных устройств.

7.Проанализируйте факторы, влияющие на точность измерения коэффициентов матрицы рассеяния. Оцените погрешность измере-

ния S11 и S12.

8.Почему нельзя измерять по методу узлового сдвига коэффициенты S12 и S22 с помощью подвижного устройства с потерями?

9.Выведите связь коэффициентов матрицы рассеяния с коэффициентами матрицы передач и обратные зависимости.

10.Приведите примеры, когда измерение параметров многополюсников с помощью метода узлового сдвига является предпочтительным.

46

Р а б о т а 4

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО КЛИСТРОНА

Цель: изучение характеристик серийного отражательного клистрона в 15-сантиметровом диапазоне длин волн, работающего в непрерывном и импульсном режимах.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Отражательный клистрон является одним из распространенных типов автогенераторов. Несложная конструкция, возможность осуществления амплитудной и частотной модуляции электронной перестройки частоты определили применение этого прибора в измерительных лабораторных генераторах, анализаторах спектра и гетеродинных приемниках. Отражательные клистроны производят двух типов: со сменными резонаторами и с внутренним резонатором.

На рис. 4.1 изображена конструкция отражательного клистрона с внешним резонатором. В стеклянно-металическом корпусе 1 смонтированы три основных узла прибора: источник электронов 2; отражатель 3 и сетки 4, составляющие конструктивно части внешнего съемного резонатора 5.

Рис. 4.1. Схема конструкции отражательного клистрона

47

Принцип работы отражательного клистрона следующий. Поток электронов из источника под действием напряжения ускоряется и пронизывает сетки резонатора. В зазоре между сетками под действием СВЧ-поля происходит модуляция скорости электронов. Преобразование модуляции по скорости в модуляцию по плотности происходит в электростатическом поле пространства дрейфа между выходной сеткой резонатора и отражателем, постоянное напряжение на котором отрицательно по отношению к катоду. Электронный поток возвращается к сеткам резонатора промодулированным по плотности в виде последовательности сгустков.

Обеспечивая генерацию СВЧ-колебаний, сгустки электронов проходят резонатор в тормозящей фазе периода колебаний поля. Кинетическая энергия электронов, полученная от источника питания, трансформируется в энергию СВЧ-колебаний.

Рис. 4.2. Схема питания отражательного клистрона (а) и зависимость напряжения вдоль оси прибора (б)

Рассматривая движение электронного потока в межэлектродных промежутках прибора (рис. 4.2), нетрудно получить связь между

48

параметрами питания и частотой колебаний. Это уравнение является основным уравнением генерации:

где Uк – напряжение катода (отрицательное) по отношению к резонатору; Uo – напряжение отражателя по отношению к катоду; S – длина пространства дрейфа, т.е. расстояние от середины зазора резонатора до отражателя; n = 0, 1, 2, … – целое число, характеризующее номер зоны генерации; f – частота.

Ток при обратном вторичном прохождении электронов через зазор находится из условия сохранения заряда

m=1

где I0 – ток с катода; ω = 2πf – круговая частота; m – номер гармо-

ники; X = MU1 Θ0 − параметр группировки; t1 – время пролета за- 2Uк

зора резонатора электроном в прямом направлении; t2 – время пролета зазора электроном в обратном направлении; Jm(mX) – функция Бесселя m-го порядка; U1 – амплитуда СВЧ-напряжения в зазоре

тронов с полем резонатора; Θ0=2π(n+3/4) – угол пролета немодулированного электрона в пространстве дрейфа для середины зоны генерации.

Отражательный клистрон имеет один резонатор, поэтому практический смысл имеет лишь первая гармоника наведенного тока с амплитудой

Анализ основных рабочих характеристик клистрона проводят с помощью эквивалентной схемы (рис. 4.3). Резонансную систему

49

прибора будем представлять в виде параллельного резонансного контура L, C, G и приведенной проводимости нагрузки выходного

СВЧ-тракта Gн′ .

Рис. 4.3. Эквивалентная схема резонатора отражательного клистрона (а) и размеры тороидального резонатора (б).

При выполнении условия генерации для середины зоны генерации мощность, выделяемая в нагрузке, имеет вид

Максимальное значение КПД достигается при согласованном СВЧ-выходе резонатора с нагрузкой G = Gн′ и при параметре группировки X = 1,84:

η = 0,17 . (4.6)

Пусковой ток отражательного клистрона определяется соотношением

Диапазонные характеристики отражательного клистрона определяют из баланса мощностей. Баланс активной мощности дает

50