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 формы 2, прорезанными в диафрагмах 3, 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 с вязи. 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

О сновную 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.

В настоящее 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 генератора высокочастотных сигналов 1, развязывающего вентиля 2, цифрового частотомера 3, измеряемого макета замедляющей системы 4, детекторной головки 5 и осциллографа 6. Связь генератора и детекторной головки с макетом ЗС или с калибровочным резонатором 7 осуществляется с помощью входной 8 и индикаторной 9 петель связи. Сигнал генератора может модулироваться по частоте либо внутренним генератором пилообразного напряжения, либо внешним низкочастотным генератором синусоидального напряжения 10. Вдоль оси измеряемого макета с помощью капроновой нити протягивается возмущающее тело 11. Индикатор 12 позволяет определить его положение в исследуемой системе.

Работу схемы можно пояснить с помощью рис. 3.6. Измерение резонансной частоты проводится следующим образом. Генератор 1 в режиме импульсной модуляции настраивается на одну из резонансных частот макета. Момент резонанса отмечается по максимальному размаху кривой, наблюдаемой на осциллографе 6. Затем на генератор 1 подается синусоидальное модулирующее напряжение от генератора 10 и производится точная настройка в резонанс. Совпадение частоты генератора с резонансной частотой макета определяется 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).

О писанный 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 зависимости представляет 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 при и .

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.