Милованов Лабораторный практикум по СВЧ 2007

которое переходит в выражение (4.4) с учетом (4.3) и при Θ = Θ0. Отношение балансов реактивной и активной мощностей дает выражение для частоты

где Qн – нагруженная добротность резонатора отражательного клистрона.

Отражательный клистрон эксплуатируется при постоянном напряжении на катоде, а напряжение на отражателе может меняться в широких пределах практически без потребления мощности от источника питания отражателя. Важными характеристиками являются зависимости выходной мощности и частоты отражательного клистрона в функции от напряжения на отражателе Uо. Вид зависимостей Pн = P(Uо) и f = f(Uо) показан на рис. 4.4,а. Режим генерации СВЧ-колебаний наблюдается вблизи дискретных значений напряжения отражателя, которые удоволетворяют условиям генерации для заданной частоты резонатора. Эти области Uо носят названия зон генерации.

Выражения для мощности (4.8) и частоты (4.9) могут быть приведены к более удобному виду, если выразить пролетный угол Θ

пролетного угла внутри зоны генерации в зависимости от отклонения напряжения отражателя.

51

Рис. 4.4. Зависимость мощности и частоты СВЧ-колебаний отражательного клистрона, от напряжения на отражателе (а) и от времени при модуляции пилообразного напряжения (б)

Подставляя (4.10) в выражения (4.8) и (4.9), получим:

Из (4.12) нетрудно определить скорость изменения частоты, называемой крутизной электронной настройки:

Изменять собственную частоту резонатора f0 можно механическим способом. При этом диапазон настройки f / f может достигать нескольких десятков процентов.

52

Явление электронной настройки широко используется для частотной модуляции. При подаче на отражатель пилообразного напряжения частота генерации будет периодически изменяться в определенных пределах (рис. 4.4,б).

Подавая на отражатель импульс прямоугольной формы, легко получить импульсный режим работы отражательного клистрона. Заметим, что режимы частотная и амплитудная модуляции отражательного клистрона не требуют затраты мощности, так как электронный ток в цепи отражателя не протекает.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1.Рассчитать положение максимумов зон генерации исследуемого клистрона при предельном напряжении на аноде в зависимости от напряжения на отражателе. Расстояние от центра резонатора до отражателя S = 3,4 мм, рабочая частота f = 2480 МГц и напряжение на аноде U = 150 В.

2.Рассчитать крутизну электронной настройки для зон с номе-

рами 1, 2, 3, 4. Принять Qн = 300.

3.Определить величину коэффициента взаимодействия электронов с полем резонатора. Принять размер d = 1 мм.

4.Рассчитать максимальные значения КПД для зон с номерами

1, 2, 3, 4.

5.Рассчитать параметры тороидального резонатора отражатель-

×f02,5(hc/rc), где hc – шаг ячейки; rc – диаметр проволоки сеток зазора; Nст и Nс – отношение удельных сопротивлений материалов стенок и сеток к удельному сопротивлению меди при комнатной температуре.

6. Используя данные п. 5 и паспортные данные питания клистрона генератора (Г4-79), рассчитать зависимость мощности и частоты СВЧ-колебаний отражательного клистрона от напряжения на отражателе для зон с номерами 3 и 4.

53

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Схема установки представлена на рис. 4.5. В качестве объекта исследования выбран отражательный клистрон, входящий в состав стандарного измерительного генератора Г4-79, настроенного на вторую зону генерации.

Рис. 4.5. Схема для измерения характеристик отражательного клистрона

Для наблюдения 3-й и 4-й зон генерации клистрона в Г4-79 внесены изменения – установлен потенциометр для регулирования постоянного напряжения на отражателе, которое определяют по показанию вольтметра, 100 делений прибора соответствуют 100 В.

Вольтметр расположен слева от генератора Г4-79 и прикреплен к его боковой стенке. Напряжение на отражателе регулируется ручкой «Uо». В крайнем положении при вращении ручки «Uо» против часовой стрелки генератор Г4-79 работает в номинальном режиме, т.е. настроен на центр 2-й зоны генерации.

Предлагается изучить работу этого генератора путем снятия зон генерации в функции напряжения на отражателе. Напряжение на катоде при этом остается постоянным. Пилообразное напряжение с блока развертки осциллографа С1-70 подается на отражатель. Вертикальный канал осциллографа используется для индикации зон генерации. Измерение частоты колебаний осуществляется частотомером по адсорбционной схеме. Огибающая зон генерации снимается с детекторной головки, включенной параллельно оконечной согласованной нагрузке.

54

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Ознакомление с устройством

иработой измерительного стенда

1.Ознакомление с установкой и назначением отдельных приборов входящих в нее.

2.Включить «Сеть» и «ИП-2» на местном пульте, включить генератор и осциллограф тумблерами «Сеть», прогреть аппаратуру в течение 10–15 минут.

3.Настроить генератор на заданную частоту по его шкале. У

вольтметра вывести ручку «Uо» в крайне левое положение, при этом напряжение на отражателе несколько увеличится. Подать на отражатель пилообразное напряжение. Амплитуда пилообразного напряжения осциллографа 20 В. Установить переключатель работы генератора в положение «Внеш. ЧМ». Длительность развертки осциллографа должна соответствовать 20 мс.

4.Получить изображение зон генерации, изменяя напряжение на

отражателе ручкой «Uо» (следите за показаниями вольтметра); получить изображение метки волномера; Подстроить частоту генератора до получения заданного значения.

Калибровка горизонтальной развертки осциллографа

1.Изменяя напряжение отражателя, добиться того, чтобы на экране осталось изображение лишь одной зоны генерации, совместить левый край зоны генерации с левым краем сетки экрана и снять показания вольтметра.

2.Вывести метку волномера из зоны генерации.

3.Переключить выход детекторной головки на измерительный прибор «ИП-2», поставив переключатель волномера «СМ-выкл- ПР» в положение «ПР», а генератора – в положение «НГ», отключив пилообразное напряжение.

4.Изменяя напряжение отражателя, зафиксировать максимальное показание прибора и записать значение напряжения отражателя.

55

5.Восстановить осциллографическое изображение зоны, подключив пилообразное напряжение и вернув перекдлючатель волномера в положение «СМ», и совместить центр зоны генерации со средней визирной линией сетки.

6.Ручкой «Uо» переместить зону генерации вправо на определенное число клеток экрана осциллографа (следить по левому краю зоны) и снять показания вольтметра во втором случае. Разность показаний вольтметра отражателя и диапазон перемещения зоны позволяют прокалибровать горизонтальную развертку осциллографа.

Второй способ калибровки горизонтальной шкалы

1.Получить изображение одной полной зоны генерации, подсчитать число клеток от начала до конца зоны.

2.Отключить пилообразное напряжение, получить изображение горизонтальной линии.

3.Изменить напряжение на отражателе в пределах зоны генерации (линия перемещается вверх и вниз). Краям зоны генерации соответствует крайнее нижнее и положение горизонтальной линии, центру зоны генерации – крайнее верхнее положение линии.

4.Сняв показания вольтметра на краях зоны генерации и зная, сколько клеток сетки экрана занимает эта зона, произвести калибровку горизонтальной развертки.

Изменение зависимости мощности и частоты отражательного клистрона от напряжения на отражателе (режим ЧМ)

1.Масштаб по оси мощности принять условным и измерение мощности осуществлять в условных единицах.

2.Провести измерение зависимости мощности от напряжения на

отражателе P = P(Uо).

3. Зависимость частоты от напряжения отражателя внутри зоны измеряется с использованием метки волномера и его градуировочной таблицы. Выполнить измерения f = f(Uо).

56

Получение режима амплитудной модуляции (режим АМ)

1. Получить режим амплитудной модуляции клистрона, подав на отражатель импульсы прямоугольной формы. Поставить переключатель режима работы генератора в положение «Внутр.».

2.Ручку «Uо» переместить в крайнее левое положение.

3.Зарисовать полученные осциллограммы.

Исследование зоны генерации в непрерывном режиме колебаний (режим НГ)

1.Поставить переключатель работы генератора в положение

«НГ».

2.Отключить пилообразное напряжение.

3.Переключатели на волномере «СМ-выкл-ПР» поставить в положение «ПР», а «Непрерывн.-метка» – в положение «Непрерывн.».

4.Изменяя напряжение отражателя в большую и меньшую стороны от найденного центра зоны, снять зависимости мощности Р (в единицах показания измерительного прибора ИП-2) и частоты f (по показаниям волномера, пользуясь его градуировочными таблицами) от напряжения отражателя.

Измерение нагруженной добротности Qн резонатора генератора Г4-79 по проходной схеме (метод четырёхполюсника)

(факультативное задание)

1.Необходимо использовать дополнительный генератор Г4-79 или Г4-80, выход которого подключен к выходу исследуемого генератора Г4-79.

2.Исследуемый генератор переводится в режим «Внешн. мод. ИМ» без подачи модулирующего напряжения.

3.Частотомер и детекторную головку с индикаторным прибором ИП-2 через тройник подсоединяют к калиброванному выходу исследуемого генератора Г4-79.

4.Измерить Qн при различных положениях ручки регулировки связи с резонатором генератора.

57

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать данные в зависимости от предложенного преподавателем задания студенту.

Ознакомление с устройством и работой измерительного стенда:

-схему установки;

-расчетные данные в соответствии с пп.1–4 предварительного задания.

Калибровка горизонтальной развертки осциллографа:

-таблицы измерений;

-масштаб калибровки, В/см или В/деление шкалы.

Изменение зависимости мощности и частоты отражательного клистрона от напряжения на отражателе: таблицы измере-

ний и графики зависимостей P = P(Uо) и f = f(Uо).

Получение режима амплитудной модуляции: осциллограмму огибающей АМ.

Исследование зоны генерации в непрерывном режиме колебаний:

-таблицы измерений;

-графики зависимостей P = P(Uо) и f = f(Uо).

Измерение нагруженной добротности Qн резонатора генератора Г4-79 по проходной схеме:

-схему измерения нагруженной добротности;

-таблицы измерения коэффициента передачи от частоты;

-графики зависимости коэффициента передачи от частоты при различных положениях выходной петли связи резонатора генератора;

-значения нагруженной добротности.

58

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Построить пространственно-временную диаграмму движения электронов в межэлетродных промежутках клистрона.

2.Вывести формулу для условия генерации отражательного клистрона.

3.Объяснить зависимость частоты колебаний напряжения отражателя.

4.Пояснить зависимость мощности колебаний от напряжения на отражателе.

5.Дать определение крутизны электронной настройки.

6.Дать определение диапазона электронной растройки.

7.Какие способы модуляции колебаний клистронного генератора вам известны?

8.Какими способами можно перестроить частоту колебаний клистронного генератора.

9.Какие резонаторы используются в отражательных клистро-

нах?

10.Рассчитайте амплитуды напряжения U1 в зазоре резонатора по отношению к напряжению на катоде Uк для случая максимального КПД и зон генерации 0, 1, 2, 3, 4.

11.Во сколько раз изменится пучковый ток, если выходную связь с резонатором уменьшить от оптимального значения до минимально возможного?

12.Определить, чему равен оптимальный ток питания отражательного клистрона Iк.оптим?

13.оценить, на какую величину измениться параметр группировки Х в пределах зоны генерации отражательного клистрона?

14.Выведите выражения (4.8) и (4.9).

15.Каким способом можно определить Qн экспериментально, кроме предлагаемого в работе способа?

59

Р а б о т а 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

Цель: ознакомление с лампой бегущей волны (ЛБВ) О-типа и исследование зависимости ее коэффициента усиления от величины напряжений на электродах, частоты и мощности входного сигнала.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Характерными особенностями ЛБВ, обеспечивающими их широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре, являются: способность усиления сигнала в широком диапазоне частот, коэффициент усиления до 30–50 дБ, малый коэффициент шума.

Воснове работы ЛБВ лежит принцип взаимодействия ускоренного электронного пучка с продольной составляющей электрического поля бегущей волны усиливаемого сигнала. Если фазовая скорость волны, распространяющейся вдоль замедляющей системы, несколько меньше скорости электронов, то электроны группируются в плотные сгустки в тормозящих полупериодах поля волны.

Вэтом случае электронные сгустки будут отдавать часть своей кинетической энергии высокочастотному полю и, тем самым, усиливать начальный сигнал.

Различают лампы бегущей волны типа О и типа М. Отличительная особенность ламп первого типа состоит в том, что электроны пучка передают волне свою кинетическую энергию. В лампах второго типа электроны передают высокочастотному полю свою потенциальную энергию.

Фокусировка электронного пучка в ЛБВ может осуществляться магнитными и электрическими полями. ЛБВ с постоянными магнитами, встроенными в систему лампы, носят название пакетированных.

Взависимости от назначения различают малошумящие лампы для входных цепей, лампы промежуточных каскадов и мощные выходные лампы.

60