Лабораторная работа №l отражательный клистрон




НазваниеЛабораторная работа №l отражательный клистрон
Дата конвертации02.04.2013
Размер112.29 Kb.
ТипЛабораторная работа
Лабораторная работа №l

ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ КЛИСТРОН



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

Задание: занести в рабочую тетрадь

- название и цель лабораторной работы;

- основные положения формулы и рисунки, необходимые при ответе на контрольные вопросы.

I ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ



Отражательный клистрон - автогенератор СВЧ, относящийся к классу приборов типа "О" с кратковременным взаимодействием электронного потока и электромагнитного поля в промежутке между стенками резонатора. В энергию СВЧ преобразуется кинетическая энергия электронов, движущихся вдоль оси прибора. Отражательные клистроны являются маломощными генераторами гетеродинного класса.

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.

2 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)

Рисунок 1 – Устройство отражательно клистрона
Электронный поток, формируемый электронной пушкой, проходит высокочастотный зазор резонатора, в котором происходит модуляция электронов по скорости. Между резонатором и отражателем электроны движутся равнопеременно: сначала равнозамедленно, останавливаются, меняют движение на противоположное, двигаясь равноускоренно, образуя сгустки. В этом пространстве группировки L происходит преобразование модуляции по скорости в модуляцию по плотности.

При обратном движении в случае попадания сгустков в тормозящий полу­период поля в резонаторе происходит преобразование энергии электронов в энергию СВЧ колебаний.

Пространственно-временные диа­граммы (рисунок 2) дают возможность определить оптимальную величину угла пролёта центра электронного сгустка в пространстве группировки :




Рисунок 2 – Пространственно- временная диаграмма
Угол пролёта может быть выражен через электрические параметры отражательного клистрона:



Приравнивая к получим условие баланса, необходимое для получения генерации колебаний:



Зависимость генерируемой мощности от напряжения отражателя при постоянном напряжении на резонаторе имеет вид зон (рисунок 3).


Рисунок 3 – Зоны генерации
Частота колебаний , генерируемых клистроном, определяется резонансной частотой резонатора. Изменение частоты колебаний в пределах области возбуждения при неизменной механической, настройке контура называется электронной перестройкой.

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.

3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

3.1 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.

3.2 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 (рисунок 4).



Рисунок 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%.

З.З Коэффициент полезного действия


Электронный к. п. д. отражательного клистрона равен

,

где Ре – выходная мощность в центре зоны генерации;

I0 – ток электронного пучка;

U0 – ускоряющее напряжение анода.

В отражательных клистронах к.п.д. не велик и составляет в приборах малой мощности доли процента, а в приборах повышенной мощности 2 – 3% .

Малая величина к.п.д. обусловлена двумя причинами:

а) использование одного резонатора в качестве модулирующего и выходного устройства, что приводит к слишком большим амплитудам модулирующего напряжения и как результат – формирование сгустков недостаточной плотности;

б) отсутствие коллектора для удаления отработанных электронов, которые частично "садятся" на сетки резонатора, частично бесполезно "болтаются" в рабочем пространстве.

3.4 Крутизна электронной перестройки


Отражательные клистроны в зависимости от выходной мощности и частоты работают при UOTP от минус 200В до минус 2700В. Наибольшие значения относятся к клистронам миллиметрового диапазона. Максимальные напряжения отражателя у клистронов сантиметрового диапазона волн достигают минус 500В, а у клистронов миллиметрового диапазона минус 1000В. Крутизна электронной перестройки в сантиметровом диапазоне составляет 0.3 – 1.2МГц/В, а в миллиметровом достигает 10 – 15МГц/В.
4 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Количество типов отражательных клистронов из года в год сок­ращается в связи с их заменой твердотельными СВЧ генераторами. Вместе с тем рекламируются сотни типов этих приборов. Это опреде­ляется большим разнообразием их технических характеристик и, преж­де всего по частоте, выходной мощности, стабильности частоты и мощности, а также по конструкции и технологии изготовления. Поэ­тому отражательные клистроны широко применяются в различной ради­оэлектронной аппаратуре. Они используются как генераторы СВЧ ко­лебаний в передатчиках радиорелейных линий связи, маломощных доплеровских РЛС, измерительной аппаратуре, для накачки параметри­ческих усилителей, в качестве гетеродинов приёмных устройств и т.д. При этом вне конкуренции остаётся область миллиметровых и субмиллиметровых волн, в которой созданы и с успехом используются отражательные клистроны.

Заслуживают внимания также миниатюрные отражательные клист­роны, которые по своим размерам и применению приближаются к по­лупроводниковым СВЧ приборам. В частности, у них рабочее напряже­ние не превышает 100В, а их габариты ­ около 1см.

5 ИЗУЧАЕМЫЙ КЛИСТРОН


Изучаемый отражательный клистрон К-19 является серийным клистроном, имеет конструкцию, рассчитанную на включение в волноводный тракт и относится к виду клистронов с внутренним резонатором.

Конструктивно клистрон состоит из металлокерамического корпуса с расположен расположенным внутри него резонатором (рисунок 5).

Рисунок 5 – Изучаемый клистрон
Внутри корпуса 1 смонтированы три основные части прибора: электронная пушка 2, отражатель 3, сетки 4, являющиеся анодом. Вывод энергии из резонатора 5 осуществляется петлёй связи 6, заканчивающейся линией 7 на цоколе лампы. Эта коаксиальная линия 7 вставляется в отверстие широкой стенки волновода и является возбуждающей антенной. Механическая настройка частоты осуществляется изменением частоты резонатора с помощью винта 8.

Клистрон К-19 имеет мощность до 10мВт на частоте 10ГГц. Механическая перестройка может осуществляться в диапазоне 1500МГц, а электрическая - в диапазоне 100МГц.

6 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ



Изучение работы отражательного клистрона производится на установке, функциональная схема которой показана на рисунке 6.



1 - источник питания; 2 - клистрон К-19; 3 - коаксиальная линия; 4 - прямоугольный волновод сечением 23 х 10 мм; 5 - ферритовый вентиль; 6 - аттенюатор; 7 - ваттметр МЗ-41; 8 - осциллограф С1-20 ;9 - волномер 35 ИМ; 10 - коаксиалъно-волноводный переход

Рисунок 6 – Структурная схема лабораторной установки
Источник питания обеспечивает подачу на электроды клистрона (анод и отражатель) необходимых напряжений, величины которых могут плавно регулироваться и измеряться.

Рабочее напряжение накала клистрона равно 6,3В.

СВЧ мощность, генерируемая клистроном, поступает через ферритовый вентиль, обеспечивающий необходимую развязку, на измеритель мощности МЗ-41. Часть мощности ответвляется на волномер 35 ИМ и на осциллограф CI-20.

Для наблюдения зон генерации на экране осциллографа с помощью тумблера МОДУЛЯЦИЯ на блоке питания подаётся синусоидальное напряжение на отражатель клистрона. Этим же напряжением производится развёртка осциллографа. На вход вертикального отклонения луча поступает сигнал с детектора.

7 Указание мер безопасности



Внимание!

При подготовке рабочего места и выполнении работы необходимо руководствоваться правилами, изложенными в "Инструкции по технике безопасности для студентов при работе в учебной лаборатории".

Изучить раздел "Указания мер безопасности " в "Техническом описании и инструкции по эксплуатации" к каждому прибору, входящему в установку и руководствоваться им при работе.
8 ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ

Ознакомиться с приборами по "Техническому описанию и инс­трукции по эксплуатации". Включить приборы в сеть и подготовить их к работе согласно инструкциям.

Тумблер ВЫСОКОЕ блока питания включать через 10мин. после включения тумблера СЕТЬ.

9 ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ


1) Провести визуальное наблюдение зон генерации. Для этого на блоке питания при выключенном тумблере МОДУЛЯЦИЯ установить напряжение на отражателе 250 - 350В. Затем включить на блоке питания тумблер МОДУЛЯЦИЯ. Тумблер на волномере поставить в положение ОСЦИЛЛОГРАФ. Меняя напряжение на аноде, добиться изображения зон генерации на экране осциллографа. Зарисовать их.

Выключить осциллограф.

Тумблер МОДУЛЯЦИЯ поставить в положение . ВЫКЛ.

2) Измерить зависимость мощности Р и частот f генерируемого сигнала от напряжения на отражателе при постоянном напряжении на аноде Ua = 370В .

Напряжение на отражателе Uотр менять от более отрицательных к менее отрицательным значениям. Измерение мощности Р и длин волн λ произвести в трёх точках нулевой зоны генерации, соответствующих значениям мощности Рmax 0.5Рmax в соответствии с рисунком 4. Мощность измерить в микроваттах ваттметром МЗ-41 в режиме НГ. Длины волн λ измерить в сантиметрах волномером 35 ИМ, затем посчитать соответствующие частоты по формуле f = с/λ, где с = 2.988*1010см/с ­- скорость света в вакууме.

Результаты измерений занести в таблицу.

Таблица 1. Результаты измерений при Uа = const

P, мкВт

Uотр, В

Отсчёт волномера n1

Отсчёт волномера n2

Длина волны

λ= n2- n1,мм

Частота

f,ГГц























































3)Измерить значения Uотр, при которых генерируемая мощность становится равной нулю.
10 УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты оформить в виде таблиц и графиков:


  1. Построить графики зависимости мощности и частоты генерируемого сигнала от напряжения на отражателе Р=F(Uотр) и f=F(Uотр) при постоянном Ua по типу рисунка 4.

  2. Определить крутизну электронной перестройки частоты



  1. Определить диапазон электронной перестройки частоты



где fср соответствует центру зоны при Рmax.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Принцип действия отражательного клистрона. Условия генерации.

2. Пространственно временные диаграммы.

3. Зоны генерации в отражательном клистроне.

4. Принцип электронной перестройки.

5. Электрические параметры и характеристики.

6. Как осуществляется получение зон генерации на экране ос­циллографа?

7. Принцип работы измерительных приборов.


ЛИТЕРАТУРА

1. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. т.2. - М.: Высшая школа, 1972. - 579 с.

2. Фёдоров Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы: Учебник для вузов. - М. :Атомиздат, 1979. - 288 с.

3. Вальднер О.А., Милованов О.С., Собенин Н.П, Техника сверхвысоких частот. Учебная лаборатория, - М. :Атомиздат, 1974. – 232 с.

4. Общий практикум по физике сверхвысоких частот. Под общей ред. В.М.Седых. - Изд. Харьковского университета, 1970. -207 с.

5. Пчельников Ю.Н., Свиридов В.Т. Электроника сверхвысоких частот. - М.: Радио и связь, 1981. - 96 с.

6. Спецпрактикум по сверхвысоким частотам. Под общ. ред. В.С.Михалевского. - Изд. Ростовского университета, 1969. - 130 с.

7. Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы: Характеристики, применение, тенденции развития. - М.; Радио и связь, 1981, - 272 с.






Похожие:

Лабораторная работа №l отражательный клистрон iconТема отражательный клистрон
Таким образом, кинетическая энергия электронов, полученная ими от источника питания, преобразуется в энергию свч колебаний
Лабораторная работа №l отражательный клистрон iconМетодические указания к выполнению лабораторно-практических работ для студентов специальности 17. 06. 00
Лабораторная работа Лабораторная работа №1 Технологические свойства зерна
Лабораторная работа №l отражательный клистрон iconКонтрольная работа по теме занятия Лабораторная работа по теме
Лабораторная работа по теме: «Кондуктометрическое определение степени и константы диссоциации слабого электролита»
Лабораторная работа №l отражательный клистрон iconЛабораторная работа № Временные ряды. Автокорреляция остатков. Метод скользящего среднего. Лабораторная работа № Автокорреляция остатков
Построить модель парной линейной регрессии, взяв в качестве зависимой переменной y – цены закрытия (столбец close), а в качестве...
Лабораторная работа №l отражательный клистрон iconЛабораторная работа №5 Анализ операций с ценными бумагами Цель работы: изучение технологии проведения анализа операций с ценными бумагами Методические указания
Лабораторная работа №5 включает 5 заданий. Для выполнения этих заданий необходимо ознакомиться с теоретическим материалом, приведенным...
Лабораторная работа №l отражательный клистрон iconЛабораторная работа № сокращение продолжительности жизни в зависимости от условий труда и быта. Общие сведения. Используемые в тексте данной лабораторной работы понятия несут следующую смысловую нагрузку
Лабораторная работа № сокращение продолжительности жизни в зависимости от условий труда и быта
Лабораторная работа №l отражательный клистрон iconЛабораторная работа №4 распространение пламени в газовых смесях определение теплоты горения (теплотворной способности) топлива Определение теоретической температуры горения. Саранск 2011 Лабораторная работа №4
Рассмотрим скорость распространения пламени в смесях горючих газов и паров с воздухом. Зная эту скорость, можно определить безопасные...
Лабораторная работа №l отражательный клистрон iconЛабораторная работа №1 выполняется студентами, обучающимися 6 лет, и по сокращенной программе (4года)
Лабораторная работа №3 выполняется студентами обучающимися по сокращенной программе (4 года)
Лабораторная работа №l отражательный клистрон iconЛабораторная работа № Работа в командном окне системы Matlab 3
Целью данной лабораторной работы является ознакомление с основами работы в среде Matlab: изучение типов используемых данных, работа...
Лабораторная работа №l отражательный клистрон iconМетодические указания по выполнению работы. Работа завершается составлением оборотных ведомостей и бухгалтерского баланса
Лабораторная работа предназначена для самостоятельной работы студентов
Разместите кнопку на своём сайте:
kurs.znate.ru


База данных защищена авторским правом ©kurs.znate.ru 2012
обратиться к администрации
kurs.znate.ru
Главная страница