Милованов Лабораторный практикум по СВЧ 2007

В настоящей работе исследуется усилительная пакетированная ЛБВ О-типа, используемая в промежуточных каскадах. Устройство ее схематически изображено на рис. 5.1.

Рис. 5.1 Конструкция ЛБВ:

1 – электронный инжектор; 2 – управляющий электрод; 3 – первый анод, 4 – поглощающий элемент; 5 – замедляющая структура (спираль);

6 – фокусирующие магниты; 7 – коллектор; 8, 9 – устройства ввода и вывода СВЧ-сигнала

Электронная пушка, состоящая из катода 1, управляющего электрода 2 и первого анода 3, обеспечивает формирование и ускорение электронного пучка, который поступает затем в спиральную замедляющую систему 5, заключенную в фокусирующий магнит 6. В конце лампы помещен коллектор 7, на котором собираются электроны. Ввод СВЧ сигнала малой мощности в спиральную замедляющую систему и вывод усиленного сигнала осуществляется с помощью устройств связи 8 и 9, расположенных в начале и конце спирали. Эти устройства представляют собой трансформаторы типа волны (ТТВ), которые осуществляют преобразование распространяющейся в прямоугольном волноводе волну Н10 в волну типа Т в спирали.

Входные и выходные концы замедляющей системы достаточно хорошо согласованы с волноводными трактами в полосе частот, составляющей до 80% от полной полосы пропускания. Однако полного согласования достичь в данном случае невозможно, и в лампе возникают волны, отраженные от ТТВ. Эти волны, распро-

61

страняющиеся в спиральной замедляющей системе наряду с основной волной, могут взаимодействовать с пучком.

Для подавления возникающей таким образом паразитной обратной связи в замедляющей системе устанавливают поглощающий элемент 4, который хотя и уменьшает усиление сигнала, но предотвращает самовозбуждение лампы.

К основным параметрам исследуемой ЛБВ следует отнести коэффициент усиления, который определяется выражением

Kу =10lg PРвых , вх

где Рвых и Рвх – выходная и входная мощности соответственно. Коэффициент усиления ЛБВ зависит от величины входной

мощности, напряжений на электродах лампы и от частоты.

На рис. 5.2 изображены зависимости выходной мощности Pвых и коэффициента усиления Kу от величины входной мощности Рвх. При малых уровнях Рвх коэффициент усиления имеет максимальное значение и является постоянным, а Рвых линейно нарастает с увеличением Рвх. Этот участок характеристики соответствует случаю, когда электроны сгустков находятся в тормозящей фазе высокочастотного поля. Такой режим работы ЛБВ называется линейным.

Pвых.
lg ------	Kу
PВых.0
2	1
1
Pвых. = Pвх.
3
Pвх.	Pвх.
lg ------	lg ------
Pвх.0	Pвх.0
а	б

Рис. 5.2. Графики зависимости выходной мощности (а) и коэффициента усиления (б) ЛБВ в функции входной мощности

Участок характеристики правее точки 1 соответствует нелинейному режиму, когда часть электронов сгустков попадает в уско-

62

ряющую фазу поля. Коэффициент усиления при этом уменьшается. Максимальная мощность на выходе лампы имеет место в точке 2.

В настоящей работе предлагается исследовать линейный режим работы ЛБВ, для которого справедлива теория малого сигнала. В соответствии с этой теорией коэффициент усиления можно записать в следующем виде:

Kу = 47,3С0N – 9,54.

(5.2)

Здесь N – число длин волн, укладывающихся вдоль спирали длиной

lсп:

lсп

lсп

с

lсп

N =

=

=

K

з

;

(5.3)

λ

сп

λ

V

λ

ф

где λсп – длина волны усиливаемого сигнала в спиральной замедляющей системе; λ – длина волны в свободном пространстве; Vф – фазовая скорость волны; с – скорость света; Kз = πD/h – коэффициент замедления, где D – диаметр спирали, h – ее шаг. В лампе, используемой в данной работе, lсп = 10 см; D = 4 мм; h = 0,82 мм;

С0 = 3	RсвI0	(5.4)
	4Uсп

– параметр усиления; I0 – постоянный ток электронного пучка в амперах; Uсп – постоянное напряжение спирали в вольтах; Rсв – сопротивление связи спиральной замедляющей системы, которое может быть рассчитано по формуле

Rсв = 20	λ2	, [Ом],	(5.5)
	(πD)3 n
	1

где n1 – число витков спирали на единицу длины.

Сопротивление связи определяет отношение амплитуды осевой составляющей высокочастотного напряжения к уровню мощности для данной замедляющей системы и характеризует тем самым, ее эффективность. Величина сопротивления связи для спиральных систем невелика и составляет обычно от нескольких до десятка ом.

Первый член формулы (5.2) характеризует зависимость коэффициента усиления от основных параметров лампы (эффективной длины, тока, напряжения и сопротивления связи).

63

Второй отражает то обстоятельство, что входной сигнал возбуждает в лампе три компоненты волны, причем на основную компоненту приходится примерно третья часть мощности этого сигнала.

Следует учесть также и уменьшение усиления, связанное с наличием локального поглотителя, вносящего ослабление L, величина которого обычно составляет 2–10 дБ (в используемой в работе ЛБВ L = 3 дБ). Тогда коэффициент усиления ЛБВ

Kу = 47,3С0N – 9,54 – L. (5.6)

Рассмотрим влияние различных величин на коэффициент усиления лампой бегущей волны.

Как видно из формулы (5.6), коэффициент усиления зависит от частоты сигнала, так как в величину N входит длина волны λ. Следует отметить, что величина Kу будет зависеть также и от качества согласования элементов связи замедляющей системы с волноводным трактом.

Имеется определенная зависимость Kу от тока электронного пучка и напряжения на спирали. Последнее обстоятельство очевидно, если учесть зависимость скорости электронов от напряжения на спирали Uсп. Существует только одно значение Uсп, при котором усиление ЛБВ максимально. Обозначим это оптимальное напряжение через Uсп. опт и найдем его из равенства

V	=V	=	2e U				,	(5.7)
e	ф		m		сп.опт.
откуда							2
		mV	2		505
Uсп.опт. =		ф					,	(5.8)
		2e		=	Kз

где е, т, Ve – заряд, масса и скорость электрона; Kз – коэффициент замедления.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1.Рассчитать оптимальное ускоряющее напряжение ЛБВ.

2.Рассчитать сопротивление связи спиральной замедляющей системы.

3.Рассчитать максимальный коэффициент усиления ЛБВ.

64

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Схема экспериментальной установки изображена на рис. 5.3. Высокочастотный тракт выполнен из волноводов прямоугольного сечения и гибких коаксиальных кабелей. Кроме ЛБВ типа УВ-23, он содержит измерительный генератор Г3-14А, два аттенюатора Д5-10 (А1 и А2), два одинаковых волноводных переключателя ЭЗ4А, детекторную головку Э7-6 с измерительным прибором (микроамперметром). Показания микроамперметра пропорцио-нальны СВЧ-мощности в конце тракта.

Рис. 5.3. Функциональная схема установки для измерения коэффициента усиления ЛБВ

Питание ЛБВ осуществляется от накального трансформатора (напряжение накала 6,3 В) и источников питания Б1-3 и Б5-29. Напряжение от первого (950–1500 В) подается на спираль ЛБВ, а от второго (0–20 В) – на управляющий электрод. Величина напряжения спирали индицируется вольтметром, шкала которого выведена на панель Б1-3. Напряжение на управляющем электроде определяется по стрелочному вольтметру прибора Б5-29.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Подготовить приборы к работе. Прогреть аппаратуру (генератор, источники питания) в течение 10–15 минут.

2.Частоту СВЧ-генератора установить по указанию преподава-

теля.

65

3.Снять зависимость коэффициента усиления ЛБВ от напряжения спирали, которое изменяется переключением диапазонов "Напряжение" и регуляторами "Грубо" и "Точно" на Б1-3. Напряжение на управляющем электроде во время измерений следует поддерживать постоянным и равным –10 В. Неизменной должна быть и мощность СВЧ-генератора.

Коэффициент усиления при фиксированном напряжении на спирали определяется по методу сравнения мощностей входного и выходного сигналов ЛБВ при помощи включенных в схему калиброванного аттенюатора А2 и измерительного прибора. Для этого отключают ЛБВ путем установки обоих волноводных переключателей в положение "2". Затем устанавливают аттенюатор А2 в положение "0 дБ" и вращением ручки аттенюатора A1 устанавливают начальный уровень сигнала (обычно два–три малых деления шкалы микроамперметра). Затем вводят максимальное ослабление аттенюатора А2 и устанавливают волноводные переключатели в положение "1" (ЛБВ включена). Затем вращают ручку А2 и добиваются первоначального (два–три деления) показания прибора. Показание шкалы аттенюатора А2 дает значение коэффициента усиления в дБ.

Такие измерения провести для 6–8 значений напряжения на спирали в диапазоне работы ЛБВ в режиме усиления.

4.Измерить зависимость коэффициента усиления лампы от на-

пряжения на управляющем электроде Uу в диапазоне от 0 до 20 В. Измерения проводятся аналогично описанным в п. 3. Напряжение спирали должно быть установлено равным Uсп. опт, найденному в п. 3.

5.Снять зависимость коэффициента усиления от уровня входной мощности. Для этого провести измерения, аналогичные описанным в п. 3, при различных фиксированных начальных положениях аттенюатора А1, равных 0; 5; 10; 15; 20; 25 дБ. Значения коэффициента усиления находятся как разность конечного (текущего) и начального (установленного при выключенной из тракта ЛБВ) показаний шкалы аттенюатора А2.

В этих измерениях следует поддерживать постоянными напряжения на спирали и управляющем электроде оптимальными, т.е. соответствующими максимальному значению коэффициента усиления исходя из результатов выполнения п. 1–4 задания.

66

6. Определить коэффициент усиления ЛБВ на разных частотах в полосе усиления лампы (на 7–10 частотах с шагом 20–50 МГц). В каждом случае подбирать напряжения на электродах лампы, соответствующие максимальному усилению.

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

1.Начертить схему измерений.

2.Привести результаты выполнения предварительного задания.

3.Изобразить графически зависимость коэффициента усиления ЛБВ от напряжения на спирали. Объяснить характер зависимости. Сравнить рассчитанное значение оптимального ускоряющего напряжения лампы с экспериментально найденным.

4.Начертить и объяснить характер зависимости коэффициента усиления от напряжения на ускоряющем электроде.

5.Построить график коэффициента усиления в зависимости от величины входной мощности, откладывая мощность в относительных единицах.

6.Зарисовать зависимость коэффициента усиления Kу от частоты измерительного генератора и объяснить характер этой функции.

7.Из данных измерений найти максимальное значение Kу и сравнить его с расчетными данными.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Поясните принцип действия ЛБВ.

2.Какое предназначение имеет поглощающая вставка в замедляющей системе? Как она влияет на параметры лампы?

3.Чем объясняется широкополосный характер работы ЛБВ?

4.Что характеризует сопротивление связи ЛБВ?

5.Объясните характер зависимостей коэффициента усиления от напряжения на спирали и от напряжения на управляющем электроде.

67

Р а б о т а 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УСКОРЯЮЩИХ СТРУКТУР НА РЕЗОНАНСНЫХ МАКЕТАХ

Цель: определение электродинамических характеристик ускоряющих систем по данным измерения резонансной частоты различных видов колебаний; освоение методики измерения добротности методом четырёхполюсника.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.Дисперсионная характеристика ускоряющей структуры

Косновным электродинамическим параметрам и характеристикам ускоряющих структур относятся: дисперсионная зависимость и определяемые из нее фазовая и групповая скорости на рабочей частоте, вид колебаний, коэффициент связи; шунтовое сопротивление

иэффективное шунтовое сопротивление; добротность и коэффициент затухания.

Дисперсионная зависимость ускоряющей структуры представляет собой связь величины фазовой скорости волны с частотой колебаний. Она может быть получена расчетным путем или экспериментально. Графическое представление дисперсионной зависимости возможно в различных координатах. Одно из таких пред-

ставлений в координатах 1/λ и 1/λв изображено на рис. 6.1, где λ и λв – соответственно длина волны в свободном пространстве и в ускоряющей структуре. Как видно из рисунка, тангенс угла наклона прямой, соединяющей какую-либо точку на дисперсионной зависимости с началом координат определяет значение фазовой скорости волны на выбранной частоте в единицах скорости света:

β

ф

=

Vф

=

ω k

z

=

2πc λ

=

1

λ

= tgϕ

с

c

с2π λв

1 λв

68

1/λ f

f π/2
ψ	ϕ
0	π/4	π/2
	1/8D	1/4D

3π/4	π	θ
3/8D	1/2D	1/λв

Рис. 6.1. Дисперсионная зависимость на основной гармонике

Значение групповой скорости волны в единицах скорости света

	Vгр		dω dk	z =	d(1 λ)
βгр =		=	c			= tgψ определяется из этой же зависи-
	с				d(1 λв )

мости как тангенс угла наклона касательной к дисперсионной зависимости в точке, соответствующей выбранной частоте.

Заметим, что в данном случае имеем дело с положительной (Vф > 0 , Vгр >0) и нормальной ( dVф / df < 0 ) дисперсией.

Вид колебаний θ определяется как электрическая длина периода структуры D, или иными словами как сдвиг фазы поля на период структуры:

θ = 2π D = 2π D . λВ λβФ

На рис. 6.1 по оси абсцисс нанесены значения 1/λв, а также вида колебаний θ. Указаны виды колебаний 0, π/4, π/2, 3π/4 и π. По оси

ординат приводятся	значения частот f, которые	связаны с длиной
волны известным	соотношением f = c / λ.	Частоты, соот-

ветствующие указанным видам колебаний, обозначаются как fo,

fπ/4, fπ/2, f3π/4, fπ.

На рис. 6.2 изображены силовые линии электрического поля на тех же видах колебаний в резонаторе, образованном из отрезка круглого диафрагмированного волновода, состоящего из нескольких ячеек с полуячейками на концах.

69

θ = 0

θ = π/4

θ = 2π/4

θ = 3π/4

θ = π

Рис. 6.2. Силовые линии электрического поля различных видов колебаний волны типа Е01

В случае резонаторов с ячейками на концах длиной в половину периода структуры (D/2) условие резонанса имеет вид

ND =	λв q ,	(6.4)
	2

где N – общее число ячеек резонансного макета (для изображенного на рис. 6.2 макета N = 4), а q принимает значения от 0 до N и характеризует число различных видов колебаний, которые могут существовать в данной системе.

Учитывая (6.3), получим выражение для вида колебаний
θ =	πq	,	(6.5)
	N

Очевидно, что для приведенного на рис. 6.2 резонансного макета могут возбуждаться виды колебаний, кратные четырем, то есть

0, π/4, 2π/4, 3π/4, π.

В случае резонансного макета, состоящего из N ячеек с полными ячейками на концах (оконечные металлические заглушки должны

70