3.2. Описание исследуемого макета зс

В работе исследуется замедляющая система типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР) с индуктивными щелями связи (рис. 3.3). Она состоит из тороидальных резонаторов 1, связанных между собой щелями фасолевидной формы2, прорезанными в диафрагмах3, разделяющих резонаторы. Щели в соседних диафрагмах развернуты на 180. Так как щели прорезаны в периферийной части диафрагмы, связь между резонаторами осуществляется в основном за счет магнитного поля (индуктивная связь).

Щель можно приближенно рассматривать как отрезок двухпроводной линии длиной , закороченный с обеих сторон. Резонансная длина волны такого отрезка, где. Обычно представляет интерес лишь резонанс, соответствующий.

Если , где– собственная длина волны резонатора, то дисперсионная характеристика ЦСР для двух первых полос прозрачности имеет вид, изображенный на рис. 3.1, 3.2, причем в первой полосе, а во второй, где– длина волны, соответствующая. Такая замедляющая система широко используется в мощных ЛБВ, причем рабочей является минус первая пространственная гармоника (). Дисперсионная характеристика и зависимость сопротивления связи минус первой пространственной гармоники от длины волны этой ЗС, рассчитанные с помощью специальной программы в основной и щелевой полосах пропускания, показаны на рис. 3.3.

К основным преимуществам ЗС типа ЦСР относятся легкость получения замедлений 3…10 (типичных для мощных ЛБВ), высокое сопротивление связи, хорошая теплорассеивающая способность, жесткость и технологичность конструкции. Недостаток этого типа ЗС – сравнительно большая крутизна дисперсионной характеристики, ограничивающая ширину полосы усиливаемых частот до 15…30 %.

Исследование проводится на резонансном макете (рис. 3.4), который представляет собой короткозамкнутый отрезок ЗС длиной пять периодов. С помощью петли связи 4 в макете возбуждается стоячая волна, амплитуда которой контролируется через петлю связи 5. Размеры петель выбраны из условия пренебрежимо малого искажения ими поля в ЗС. Конструктивно макет выполнен из колец 6 и диафрагм 3 с прорезанными в них щелями связи. В диафрагмы впаяны пролетные трубы (втулки)7. В торцевых поверхностях колец проточены канавки с острыми внутренними кромками для получения надежного электрического контакта по всей поверхности касания диафрагм с кольцом. Собранный макет стягивается с помощью специальных обойм и шпилек.

3.3. Описание измерительной установки

Основную трудность при проведении лабораторной работы представляет необходимость регистрации с высокой точностью малых изменений резонансной частоты исследуемого макета. Для повышения чувствительности измерительной схемы необходимо использовать малые возмущающие тела – тогда экспериментально полученное распределение поля вдоль оси ЗС позволит определить фазовые сдвиги с максимальной точностью, что в свою очередь повысит точность измерения характеристик и параметров ЗС.

Внастоящее время разработаны различные способы измерений малых смещений резонансной частоты, однако большинство из них используют сложные электронные схемы. В данной работе для точного определения резонансной частоты используется способ, основанный на преобразовании резонансным контуром частотной модуляции в амплитудную.

Схема измерительной установки показана на рис. 3.5. Она состоит из генераторавысокочастотных сигналов1, развязывающего вентиля2, цифрового частотомера3, измеряемого макета замедляющей системы4, детекторной головки5и осциллографа6. Связь генератора и детекторной головки с макетом ЗС или с калибровочным резонатором7осуществляется с помощью входной8и индикаторной9петель связи. Сигнал генератора может модулироваться по частоте либо внутренним генератором пилообразного напряжения, либо внешним низкочастотным генератором синусоидального напряжения10. Вдоль оси измеряемого макета с помощью капроновой нити протягивается возмущающее тело11. Индикатор 12позволяет определить его положение в исследуемой системе.

Работу схемы можно пояснить с помощью рис. 3.6. Измерение резонансной частоты проводится следующим образом. Генератор 1в режиме импульсной модуляции настраивается на одну из резонансных частот макета. Момент резонанса отмечается по максимальному размаху кривой, наблюдаемой на осциллографе6. Затем на генератор1подается синусоидальное модулирующее напряжение от генератора10и производится точная настройка в резонанс.Совпадение частоты генератора с резонансной частотой макетаопределяется по форме кривой, наблюдаемой на экране осциллографа. Из-за девиации частоты при точной настройке в резонанс амплитуда колебаний уменьшается, а частота их удваивается по сравнению с тем случаем, когда частота генератора находится на склоне резонансной кривой (рис. 3.6).

Описанный способ позволяет обеспечить относительную погрешность измерений резонансной частоты, где– добротность макета на данном виде колебаний, в то время как обычный способ настройки на максимум резонансной кривой обеспечивает погрешность.

Необходимо отметить, что определение угла фазового сдвига (числа полуволн) по экспериментально снятой зависимостипредставляет определенные трудности вследствие того, что электрическое поле сосредоточено в основном в зазорах между пролетными трубами, а также вследствие неидеальности макета, приводящей к нерегулярному изменению амплитуды колебаний в отдельных ячейках. В связи с этим рекомендуется заранее нарисовать графики распределения поля в ЗС, соответствующие различным видам колебаний в макете, и сравнить с этими графиками экспериментальные кривые. При построении графиков необходимо иметь в виду, что на короткозамыкающих диафрагмах существует граничное условие, т. е. амплитуды продольного электрического поля всех пространственных гармоник максимальны по модулю прии.

Пример построения указанных графиков для ЦСР из пяти резонаторов () показан на рис. 3.7. На графиках вертикальными линиями показаны значения электрического поля в серединах зазоров. Процесс расчета амплитудных коэффициентов пространственных гармоник по формуле (3.9), связанный с численным интегрированием, довольно трудоемок и требует использования компьютерной техники.

Поскольку основными характеристиками ЗС являются дисперсия и зависимость сопротивления связи от частоты, рассмотрим погрешности определения этих величин. Погрешность определения фазовой скорости складывается из погрешностей измерения частоты, погрешностей, связанных с отклонением размеров макета от номинальных и качеством контактов, а также погрешности, возникающей из-за нарушения симметрии при замене бесконечной ЗС ее короткозамкнутым отрезком конечной длины. В целом погрешность измерения дисперсионной характеристики не превосходит 2 %. Погрешность измерения определяется неточностью измерения ухода резонансной частоты, которая существенно выше измерения самой резонансной частоты.

Погрешность возникает также за счет неточности определения положения возмущающего тела и усреднения поля по его объему; за счет неточности определения групповой скорости, связанной с погрешностью измерения дисперсионной характеристики и погрешностью ее аппроксимации отрезком ряда Фурье.

Суммарная погрешность измерения сопротивления связи составляет 20...30 %, что является приемлемой величиной для инженерных (оценочных) расчетов.