Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Лабораторная работа

ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ КЛИСТРОН

Цель работы: изучить устройство и принцип действия отражательного клистрона, проанализировать физические процессы, происходящие в этом приборе, измерить некоторые основные параметры и характеристики.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Клистроны относятся к классу электронно-лучевых приборов СВЧ с динамическим управлением электронным потоком, и широко применяются в приборах неразрушающего радиоволнового контроля в качестве маломощного источника поля.

В энергию СВЧ преобразуется кинетическая энергия электронов, движущихся вдоль оси прибора. Бесспорным достоинством отражательных клистронов является простота и надёжность конструкции, малые габариты и масса, невысокие питающие напряжения, наличие механической и электронной перестройки частоты, механическая прочность, высокая радиационная стойкость, слабая зависимость параметров от изменения температуры окружающей среды и малый уровень шумов.

По своей конструкции отражательные клистроны подразделяются на клистроны с внешними резонаторами и внутренними резонаторами.

ПРИИЩИП ДЕЙСТВИЯ

Устройство отражательного клистрона и принципиальная схема питания показана на рисунке 1.

 

 

 

1 – катод; 2 – резонатор; 3 – петля связи для вывода энергии из резонатора во внешний СВЧ тракт;

4 - отражатель; 5 - электронный поток; 6 - ускоряющий электрод (анод).

Рис. 1 – Устройство отражательно клистрона

 

Электронный поток, эмитируемый катодом, ускоряется под действием постоянного напряжения Uo, приложенного между катодом (1) и анодом (6). Благодаря этому скорость электронов после прохождения промежутка катод (1) – анод (6) становится равной V0

, где е - заряд электрона, m - масса электрона,

и остаётся постоянной вплоть до первой сетки резонатора (2).

Затем, в пространстве между сетками резонатора, под действием переменного электрического поля СВЧ резонатора U(t)=U sinωt скорость электронов становится равной

,

где V1 - амплитуда переменной составляющей скорости; w - циклическая частота СВЧ колебаний резонатора.

Промодулированный по скорости электронный поток входит в так называемое пространство группирования (пространство резонатор (2) – отражатель (4)), где действует постоянное электрическое поле с напряженностью Е, равной

,

где Uотр – напряжение между резонатором (2) и отражателем (4); L – расстояние между второй сеткой резонатора (2) и отражателем (4).

В пространстве группирования происходит преобразование скоростной модуляции электронного потока в модуляцию по плотности. Это происходит следующим образом: между резонатором и отражателем электроны движутся равнопеременно (сначала равнозамедленно, вплоть до остановки, затем меняют движение на противоположное, и, двигаясь равноускоренно, возвращаются ко второй сетке резонатора). Так как электроны выходят из резонатора в пространство группирования с разными скоростями, (быстрые электроны тратят времени на возвращение в резонатор больше, чем медленные), то становится возможной ситуация, когда целая группа электронов вернётся в резонатор одновременно, образуя электронный сгусток.

 
 

Рис. 2 – Пространственно-временная диаграмма

 

Пространственно-временные диа­граммы движения электронов в пространстве группирования дают возможность определить оптимальную величину времени tопт формирования центра электронного сгустка:

, где Т – период СВЧ колебаний ЭП резонатора.

На диаграмме (Рис. 2) этому промежутку времени соответствует отрезок времени

tопт = tmax(n) – t2,

за который, электрон, вошедший в зазор резонатора в момент времени t2, когда напряжение поля резонатора Uрез= 0, выходит в пространство группирования со скоростью V0 и возвращается вновь к резонатору в момент времени tmax(n), когда поле резонатора находится в фазе максимального торможения сгустка электронов. При этом происходит отбор кинетической энергии сгустка электронов, за счёт чего в резонаторе поддерживаются незатухающие колебания.

Уравнение движения электрона в пространстве группирования

.

Интегрируя, первый раз уравнение движения и учитывая скорость V(ti) электрона при выходе из зазора резонатора в сторону отражателя, получим

.

Повторное интегрирование при условии, что начало координат x = 0 отсчитывается от второй сетки резонатора, даёт

.

Обозначая момент возвращения электрона ко второй сетке через tmax(n), (при этом учтём, что x(tmax)=0) найдём время пролёта электрона в пространстве группирования t = tmax(n) – ti :

, откуда

,

где индекс i=1, 2, 3 связывает моменты времени ti с соответствующими фазами поля резонатора Uрез, а значениям n = 0, 1, 2…соответствует одна из возможных зон генерации.

В момент времени t1 поле резонатора Uрез находится в фазе максимального ускорения электронов, вошедших в зазор резонатора, так что они выходят в пространство группирования со скоростью и движутся там на четверть периода дольше, чем tопт.

Моменту t3 соответствует фаза максимального торможения входящих электронов полем резонатора, так что они выходят из резонатора в пространство группирования со скоростью и движутся там на четверть периода меньше, чем tопт.

Таким образом, все электроны, вышедшие в течение полупериода СВЧ поля от t1 до t3 в пространство группирования, вернутся к резонатору и соберутся в сгусток в один из моментов tmax(n), когда этот сгусток испытывает максимальное торможение полем резонатора. При этом энергия сгустка переходит в энергию СВЧ колебаний ЭП резонатора.

Время пролёта может быть выражено через электрические параметры отражательного клистрона:

.

Приравнивая tопт и t, получим условие баланса, необходимое для получения генерации колебаний:

Подставляя вместо периода Т частоту генерируемых колебаний ¦ = 1/Т, получим уравнение, определяющее фазовые условия, при которых возможна максимальная отдача энергии электронами сгустка в резонаторе клистрона

.

Зависимость генерируемой мощности от напряжения отражателя при постоянном напряжении на резонаторе U0 = const имеет вид зон (Рис. 3).

 

Рис. 3 – Зависимость мощности клистрона от напряжения на отражателе

Максимальная мощность развивается в центре зоны генерации Pmax(n) при Uотр(n), когда имеет место оптимальное торможение сгустков в зазоре резонатора:

, где I0 – ток электронного пучка.

При изменении напряжения на отражателе относительно Uотр(n), соответствующего центру зоны, время пролёта электронами пространства группирования отличается от оптимального и происходит уменьшение мощности. При достаточно больших отклонениях DUотр= Uотр - Uотр(n) происходит прекращение генерации СВЧ колебаний.

Частота колебаний ¦ = 1/Т, генерируемых клистроном, в первом приближении, определяется резонансной частотой контура, связанного с зазором резонатора. Электронный сгусток в сеточном зазоре влияет на его резонансную частоту. Изменение частоты зависит от величины и формы электронного сгустка, времени пролёта и момента входа в сеточный зазор. Следовательно, частота, генерируемая отражательным клистроном, зависит от U0 и Uотр. Изменение частоты колебаний при изменении напряжения на электродах называют электронной перестройкой частоты. В отражательном клистроне электронная перестройка частоты обычно производится изменением напряжения на отражателе, так как в цепи этого электрода отсутствует ток, и, следовательно, не потребляется мощность.

 

 

Диапазоном электронной перестройки называется изменение частоты генерируемых колебаний в пределах половинной мощности по отношению к максимальной мощности в центре зоны.

Необходимым условием генерации также является наличие положительной обратной связи. В отражательном клистроне функцию внутренней положительной обратной связи выполняет электронный пучок.

Третьим условием генерации является выполнение условия баланса амплитуд, которое выражается уравнением:

где – мощность источника постоянного тока; – сила тока, не промоделированного потока; – полезная мощность, генерируемая клистроном и поступающая в нагрузку; – мощность потерь.

Минимальное значение , при котором начинается генерация, называется пусковым.

Таким образом, для получения устойчивой генерации необходимо выполнение трёх условий:

а) наличие положительной обратной связи;

б) выполнение условия баланса фаз;

в) выполнение условия баланса амплитуд.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Частота и мощность

Выпускаемые в мире отражательные клистроны работают на частотах 0.8 - 220ГГц. Среди них около 200 типов предназначены для использования в миллиметровом диапазоне волн.

отражательных клистронов находится в широких пределах от 10мВт до 2.5Вт. Максимальные значения выходной мощности являются характерными для клистронов, используемых в основном в качестве генераторов передающих устройств радиорелейных линий связи маломощных доплеровских радиорелейных станций.

У большинства отражательных клистронов лежит в пределах 10 - 500мВт. При этом наибольшие значения являются характерными для клистронов, используемых в качестве генераторов накачки параметрических усилителей и генераторов в измерительной аппаратуре. Отражательные клистроны, применяемые в качестве гетеродинов приёмных устройств, имеют выходную мощность 10 - 100мВт.

Перестройка частоты

Одной из положительных особенностей отражательных клистронов является наличие возможности механической и электронной перестройки частоты. Электронная перестройка рабочей частоты определяется формулой

,

где fmax и fmin соответствуют точкам, половинной мощности, a fcp. - максимальной мощности зоны генерации (рис. 4).

 

Рис. 4 – Зона генерации и перестройка частоты

 

Электронная перестройка частоты, осуществляемая изменением отрицательного напряжения отражателя, составляет 0.1–1% от средней частоты клистрона. Механическая перестройка рабочей частоты осуществляется обычно в пределах 1– 15%. Отдельные типы клистронов миллиметрового диапазона волн имеют механическую перестройку до 40%.




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.