Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Электронные и квантовые приборы СВЧ

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 764369.01.99
Представлены краткие теоретические сведения, приведено описание лабораторных установок и порядок работы с измерительными приборами, даны указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электронные и квантовые приборы СВЧ». Предназначено для студентов института инженерной физики и радиоэлектроники направлений 11.03.01 «Радиотехника», 11.05.01 «Радиолокационные системы и комплексы», 12.03.01 «Приборостроение», 12.06.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы», 25.05.03 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования».
Электронные и квантовые приборы СВЧ : лабораторный практикум / сост. А. В. Изотов, А. М. Сержантов, А. С. Волошин [и др.]. - Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2020. - 68 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1816539 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

ЭЛЕКТРОННЫЕ И КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ

Лабораторный практикум

Красноярск

СФУ
2020

УДК 621.385.6(07)
ББК 32.86я73

Л441

Л441
Электронные и квантовые приборы СВЧ : Лабораторный практикум / сост. А. В. Изотов, А. М. Сержантов, А. С. Волошин, К. В. Лемберг, Е. Р. Гафаров, В. С. Панько. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 
2020. – 68 с.

Представлены краткие теоретические сведения, приведено описание лабора
торных установок и порядок работы с измерительными приборами, даны указания 
по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электронные и квантовые 
приборы СВЧ».

Предназначено 
для 
студентов 
института 
инженерной 
физики 

и радиоэлектроники направлений 11.03.01 «Радиотехника», 11.05.01 «Радиолокационные системы и комплексы», 12.03.01 «Приборостроение», 12.06.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы», 25.05.03 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования».

УДК 621.385.6(07)
ББК 32.86я73

Электронный вариант издания 
см.: http://catalog.sfu-kras.ru

© Сибирский федеральный

университет, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ

Общие указания................................................................................................... 4
1. Лабораторная работа № 1. Исследование отражательного клистрона...... 5

1.1. Краткие теоретические сведения............................................................ 5
1.2. Контрольные вопросы ........................................................................... 15
1.3. Описание лабораторной установки...................................................... 15
1.4. Порядок выполнения работы................................................................ 16
1.5. Содержание отчёта................................................................................. 17
Библиографический список ......................................................................... 17

2. Лабораторная работа № 2. Исследование лампы обратной волны 
типа «О» ............................................................................................................. 18

2.1. Краткие теоретические сведения.......................................................... 18
2.2. Контрольные вопросы ........................................................................... 28
2.3. Описание лабораторной установки...................................................... 29
2.4. Порядок выполнения работы................................................................ 30
2.5. Содержание отчёта................................................................................. 31
Библиографический список ......................................................................... 31

3. Лабораторная работа № 3. Исследование многорезонаторного
магнетрона ......................................................................................................... 32

3.1. Краткие теоретические сведения.......................................................... 32
3.2. Контрольные вопросы ........................................................................... 42
3.3. Описание лабораторной установки...................................................... 42
3.4. Порядок выполнения работы................................................................ 43
3.5. Содержание отчёта................................................................................. 44
Библиографический список ......................................................................... 45

4. Лабораторная работа № 4. Исследование генератора на диоде Ганна.... 46

4.1. Краткие теоретические сведения.......................................................... 46
4.2. Контрольные вопросы ........................................................................... 53
4.3. Описание лабораторной установки...................................................... 54
4.4. Порядок выполнения работы................................................................ 54
4.5. Содержание отчёта................................................................................. 55
Библиографический список ......................................................................... 55

Приложение. Работа с измерительными приборами..................................... 56

П.1. Источники питания ............................................................................... 56
П.2. Измеритель мощности М3-51 .............................................................. 59
П.3. Частотомер ЧЗ-68.................................................................................. 61

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Перед выполнением лабораторной работы необходимо изучить 

соответствующий теоретический материал, ознакомиться с настоящими 
указаниями и инструкцией по технике безопасности. 

Для допуска к выполнению лабораторных работ необходимо ответить 

на список контрольных вопросов, представленных после кратких 
теоретических сведений по теме работы. В соответствии с методическими 
указаниями подготовить необходимые таблицы для внесения результатов 
измерений.

Включать приборы и оборудование можно только с разрешения 

преподавателя! Оставляя рабочее место (даже на самое короткое время), 
следует выключать все питающие напряжения.

Работы выполняются подгруппами из 2–3 человек. Результаты 

экспериментальных исследований (протокол измерений) следует показать 
преподавателю. В протоколе измерений необходимо перечислить фамилии 
всех студентов, непосредственно принимавших участие в исследовании.

Отчёт о проделанной работе представляется преподавателю один 

на подгруппу. В нём должно быть отражено краткое содержание работы, 
структурные схемы экспериментальных установок, таблицы результатов 
измерений и вычислений, графики, а также выводы по результатам 
исследований. К отчёту прилагается подписанный преподавателем протокол 
измерений, а также черновики выполненных работ и проведённых расчётов.

1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО КЛИСТРОНА

Цель работы: исследование рабочих характеристик и ознакомление 

с устройством отражательного клистрона.

Содержание работы:
1. Руководствуясь 
допустимыми 
режимами 
питания 
прибора, 

экспериментально установить число возбуждаемых зон генерации. 
Определить напряжение на отражателе, соответствующее центру и краям 
зон генерации.

2. Исследовать зависимость выходной мощности и частоты генерации 

от напряжения на отражателе в пределах 0–500 В (не менее 10 измерений 
для каждой зоны генерации).

3. Определить выходную мощность и частоту генерации клистрона 

в центре каждой зоны генерации.

4. По 
экспериментальным 
данным 
рассчитать 
параметры

отражательного клистрона.

1.1. Краткие теоретические сведения

Отражательный клистрон относится к приборам с кратковременным 

взаимодействием электронного потока с СВЧ-полем в резонансных 
колебательных системах. В таких приборах используется принцип 
динамического 
управления 
электронным 
потоком, 
основанный 

на скоростной модуляции потока и группировании электронов в плотные 
сгустки, взаимодействующие с СВЧ-полем. Отражательный клистрон 
является маломощным генератором гетеродинного класса и применяется 
в новейших разработках в области частот от 0,8 до 600–800 ГГц. Основными 
достоинствами отражательного клистрона являются простота изготовления, 
высокая надёжность и стабильность характеристик и параметров. Также 
к плюсам такого СВЧ-генератора следует отнести возможность простой 
реализации механической и электрической перестройки частоты.

Колебательная 
система 
(объёмный 
резонатор) 
отражательного 

клистрона отличается от резонансных систем, используемых в диапазоне 
длинных и средних волн (рис. 1). Для объяснения работы такого резонатора 
на рис. 1, а показан качественный переход от открытого колебательного 
LC-контура с сосредоточенными параметрами к замкнутой системе –
полому резонатору. Для получения возможно более коротких волн 
конденсатор выполняется из двух небольших параллельных пластин, 
а контурная катушка заменяется одним витком, соединяющим пластины. 
В целях ещё большего уменьшения индуктивности параллельно данному 
витку включаются другие витки. Чем больше витков, тем меньше 
результирующая индуктивность контура, так как при параллельном 
соединении индуктивностей результирующая индуктивность уменьшается. 

В пределе образуется объёмный резонатор (рис. 1, б), электромагнитное 
поле которого полностью заключено в его внутреннем пространстве.

Благодаря отсутствию потерь на излучение, крепящих изоляторов 

и большой поверхности резонаторов их добротность достигает нескольких 
тысяч. Чтобы электронный поток мог проходить сквозь резонатор, 
его центральная часть выполняется не сплошной, а в виде двух сеток 
(рис. 1, б). А поскольку размер ячеек сеток много меньше длины волны 
СВЧ-колебаний, происходящих в резонаторе, сетки практически полностью 
экранируют 
электромагнитное 
поле 
внутри 
объёма 
резонатора. 

Как следствие, потери на излучение пренебрежимо малы.

Для связи резонатора с внешней нагрузкой используется виток связи 

или ёмкостный штырь (рис. 1, в). В первом случае преобладает индуктивная 
связь. В витке, плоскость которого располагают перпендикулярно силовым 
линиям магнитного поля, индуцируется ЭДС. Виток связи помещают 
в пучность тока. Регулировка степени связи производится поворотом витка 
относительно его оси. Во втором случае связь ёмкостная. Штырь вводят 
в пучность напряжения и регулируют связь, изменяя зазор между штырём 
и стенкой резонатора.

E

E
B

B
B

Сетка

Петля связи

Ёмкостный штырь

а

б
в

Рис. 1. Объёмный резонатор: а – переход от открытого колебательного контура 

с сосредоточенными параметрами к тороидальному полому резонатору;

б – общий вид и структура электрического и магнитного полей внутри полого резонатора;

в – устройства связи линии с резонатором

Важнейшими преимуществами отражательного клистрона (рис. 2, а) 

являются простота схемы питания и устройства, наличие электронной 
перестройки и широкий диапазон механической перестройки генерируемой 
частоты. 
Отражательный 
клистрон 
отличается 
стабильностью 

высокочастотных характеристик и параметров.

В вакуумном баллоне отражательного клистрона располагаются 

подогреваемый катод, ускоряющий электрод, объёмный резонатор, сетки 
которого пронизывает электронный поток. На некотором расстоянии 

расположен отражатель, на который подаётся отрицательное напряжение 
порядка Uотр ≈ –(100 ÷ 400) В. На рис. 2, б в соответствии со схемой питания 
представлена 
потенциальная 
диаграмма 
отражательного 
клистрона, 

т. е. диаграмма распределения потенциала поля в пространстве между 
катодом и отражателем. 

Принцип действия

Поток электронов, эмитируемых разогретым катодом, разгоняется 

полем ускоряющего электрода до скорости 
m
eU
v
/
2
0
0 
(формула легко 

получается из равенства кинетической энергии и потенциальной, 
затрачиваемой на разгон электронов 
0

2
0 2
/
eU
mv

, где e – заряд электрона, 

m – его масса, U0 – напряжение на ускоряющем электроде). Далее движение 
электронов между ускоряющим электродом и резонатором происходит 
равномерно со скоростью v0, так как потенциал электрического поля 
постоянен (см. рис. 2, б). Проходя через сетки резонатора, непрерывный 
поток электронов наводит в нём слабые колебания. Эти начальные 
колебания возникают из-за неравномерной плотности электронного пучка, 
вызванной 
флуктуациями 
термоэлектронной 
эмиссии 
катода. 

Под действием 
этих 
колебаний 
электронный 
поток 
модулируется 

по скорости, т. е. происходит уменьшение или увеличение скорости 
электронов в зависимости от фазы колебаний в резонаторе. При этом 
средняя скорость электронов v0 остаётся постоянной. 

Пролетев сетки резонатора в одном направлении, электроны 

тормозятся полем отражателя. Очевидно, что для невозмущённых 
(резонатором) электронов, двигающихся со скоростью v0, точка, в которой 
они полностью остановятся и начнут движение в обратном направлении, 
соответствует точке с нулевым потенциалом (точка А на рис. 2, б). 
Из-за разности 
скоростей 
электронов, 
с 
которыми они 
вылетают 

из резонатора, в пространстве между резонатором и отражателем 
(называемым пространством группирования) происходит модуляция 
электронного потока по плотности. Электроны возвращаются назад в виде 
сгустков и передают свою энергию высокочастотному полю резонатора, 
поддерживая возникшие колебания, амплитуда которых вскоре достигает 
стационарной 
величины. 
Рассмотрим 
более 
подробно 
процессы, 

происходящие в отражательном клистроне: процесс модуляции по скорости, 
процесс модуляции по плотности и процесс преобразования кинетической 
энергии электронных сгустков в энергию высокочастотных колебаний.

Эти процессы удобно пояснить с помощью пространственно
временной диаграммы (зависимости координаты или местоположения 
электронов от времени), представленной на рис. 2, в. Здесь по координате 
z отложены расстояния между электродами от катода до отражателя, а по 
оси абсцисс – время t. На этой пространственно-временной диаграмме 
представлены траектории только для трёх «характерных» электронов, 

эмитированных с катода через промежутки времени, равные четверти 
периода высокочастотных колебаний в резонаторе. Видно, что на участке от 
катода до ускоряющего электрода скорость (определяемая наклоном 
траектории на диаграмме) нарастает линейно, а на участке между 
ускоряющим электродом и резонатором остаётся постоянной (наклон 
траектории не изменяется), равной v0.

При 
прохождении 
электронами
промежутка 
между 
сетками 

резонатора в установившемся режиме колебаний на электроны действует 
электрическое переменное поле E резонатора (нижняя часть рис. 2, в, 
а также рис. 3), которое будет в зависимости от знака потенциала 
дополнительно ускорять (1-й электрон в момент времени t1) или тормозить 
(3-й электрон в момент времени t3) электроны. Для электронов, прошедших 
середину зазора в моменты нулевого переменного поля, скорость движения 
не изменится (2-й электрон в момент времени t2). Поэтому при выходе 
из резонатора электронный поток оказывается модулированным по 
скорости: одни электроны двигаются со скоростями, большими среднего 
значения v0, а другие – с меньшими.

а
б
в
Отражатель

E

t

t
U

z
z

U0
Uотр

Uотр

U0

t1
t2
t3
t4

v1
v2
v3

К

Р

УЭ

П

О

А

Рис. 2. Принципиальная схема и принцип работы отражательного клистрона:

а – устройство отражательного клистрона; б – потенциальная диаграмма; в – пространственно-временная диаграмма;

К – катод; УЭ – ускоряющий электрод; Р – резонатор; П – петля вывода; О – отражатель

t=t1
t=t2
t=t3

E
E
B

B
E
E

Рис. 3. Структура электрического и магнитного полей объёмного резонатора (сверху)

и эквивалентного LC-контура (снизу) для различных моментов времени

Процесс модуляции электронов по скорости сопряжён с взаимным 

обменом энергией между электронами и СВЧ-колебаниями в резонаторе. 
Ускоряя электроны, энергия колебаний уменьшается, преобразуясь 
в 
кинетическую 
энергию 
электронов. 
Торможение 
электронов 

высокочастотным полем приводит к обратному энергообмену. Так как число 
электронов при их непрерывном потоке, попадающих в ускоряющий 
полупериод, равно числу электронов, попадающих в тормозящий 
полупериод, СВЧ-поле теряет и приобретает равные порции энергии, и,
следовательно, в среднем по времени энергия СВЧ-колебаний не изменяется. 
Поэтому, для того чтобы энергетический баланс был положительным, 
т. е. чтобы энергия электрического поля пополнялась, необходимо получить 
прерывистый 
поток 
электронов, 
при 
котором 
число 
электронов, 

попадающих в тормозящий полупериод (сгустки), было бы больше числа
электронов, попадающих в ускоряющий полупериод (разряжения).

Процесс формирования неоднородной электронной плотности 

называется процессом группирования. В отражательном клистроне 
группирование электронов (или модуляция по плотности) является 
следствием модуляции по скорости. Принцип группирования электронов 
легко понять из пространственно-временной диаграммы на рис. 2, в.

Группирование происходит относительно невозмущённых электронов, 

пролетевших через резонатор в момент времени t2, когда в нём 
отсутствовало поле E = 0. При этом скорость их движения не изменилась 
(v2 = v0). Электрон, вышедший раньше (в момент времени t1) и имеющий 
большую скорость (v1 > v0), проникает в тормозящее поле отражателя 
глубже, следовательно, летит дольше невозмущённого и может вернуться в 
зазор резонатора почти одновременно с ним. Электрон, вышедший позже 
невозмущённого (в момент времени t3) и имеющий меньшую скорость 
(v3 < v0), проникает в тормозящее поле отражателя на меньшее расстояние, 
при этом время пролёта в пространстве группирования затрачивает меньше, 
и велика вероятность, что он вернётся в резонатор вместе с невозмущённым 
электроном.

Этот процесс можно описать на примере простой механической 

аналогии. Если подбросить вверх один камень с большей скоростью, 
немного погодя второй камень с меньшей скоростью, то они могут упасть на 
землю одновременно.

При непрерывном потоке электронов через резонатор электронные 

сгустки будут вновь и вновь формироваться, когда фаза высокочастотных 
колебаний будет меняться с ускоряющего полупериода на тормозящий. При 
этом период следования образующихся сгустков будет определяться 
периодом модулирующего высокочастотного поля. Для того чтобы сгустки 
поддерживали колебания в резонаторе, необходимо, чтобы в момент 
их возвращения в зазор резонатора (t4 на рис. 2, в) там существовало 
тормозящее поле для них. В этом случае электроны будут отдавать свою 
энергию СВЧ-полю резонатора.

Этого условия можно добиться изменением напряжения либо на 

отражателе Uотр, либо на резонаторе U0. И в первом, и во втором случае 
меняется время пролёта электронов, за которое фаза высокочастотных 
колебаний может принять необходимое для нас значение. В силу того, что 
вектор скорости возвращающихся электронов противоположен вектору 
скорости электронов, двигающихся от катода, поле в зазоре будет тормозить 
сгусток, когда СВЧ-потенциал второй сетки по отношению к первой будет 
положительным (момент времени t4 на рис. 2, в).

Условие самовозбуждения. Зоны генерации

Очевидно, что изменение напряжения на отражателе (или резонаторе, 

что на практике применяется реже) также будет влиять на генерируемую 
мощность вплоть до прекращения генерации, т. к. будет происходить 
изменение условий прихода сгустков электронов в тормозящую фазу поля. 
Из диаграммы на рис. 4 видно, что минимальное оптимальное время, 
необходимое для возвращения в тормозящую фазу поля СВЧ, равно 
tпр опт = 3/4T (T – период колебаний). В этом случае тормозящее поле 
максимально, как и энергия, отдаваемая сгустками.

Очевидно, что изменение в небольших пределах напряжения Uотр, при 

котором время пролёта будет отличаться от оптимального времени
tпр опт менее чем на четверть периода T/4 (заштрихованная область на рис. 4), 
не будет срывать генерацию, поскольку энергетический баланс будет 
оставаться положительным. Однако мощность генерации при этом будет 
падать. Такой диапазон изменения напряжения на отражателе определяет 
зону генерации отражательного клистрона. Напряжение Uотр для работы в 
таком режиме должно быть достаточно большим.

При его уменьшении возможен возврат электронных сгустков в 

«ускоряющую» фазу, когда энергия СВЧ-поля будет забираться электронами. 
Ясно, что при таких напряжениях на отражателе генерации в клистроне не 
будет. При дальнейшем уменьшении по модулю Uотр может возобновиться 
генерация при времени пролёта tпр опт = 3/4T + T. При последующем 
уменьшении 
Uотр
ситуация 
будет 
повторяться. 
Таким 
образом, 

отражательный клистрон проявляет зонный характер генерации, т. е. при 
одних значениях напряжения на отражателе генерация будет происходить, 
при других – нет (рис. 5, а). Фазовое условие самовозбуждения можно 
записать в виде: 

tпр опт = 3/4T + nT = (n + 3/4)T,
(1)

где n = 0, 1, 2, 3…; tпр опт – оптимальное время пролёта в пространстве 
группирования от центра зазора и обратно. 

Таким образом, время пролёта в каждой из соседних зон генерации 

отличается на T, а число n определяет номер зоны генерации (определённые 
значения Uотр при U0 = const) и одновременно означает число полных