08 Отражательный клистрон (Лабораторный практикум)

Теоретические сведения

Отражательные клистроны используются в качестве генераторов маломощных СВЧ - колебаний в измерительной аппаратуре, радиолокационных и других приемных устройства.

В отличие от пролетного клистрона отражательный клистрон имеет один резонатор, который одновременно модулирует поток электронов, летящих от катода к отражателю, и отбирает энергию от отраженных электронов.

Важнейшими преимуществами отражательного клистрона (рисунок 1) являются простота схемы питания и устройства, наличие электронной перестройки и широкий диапазон механической перестройки генерируемой частоты.

В вакуумном баллоне отражательного клистрона располагаются катод, ускоряющий электрод, объемный перестраиваемый резонатор, сетки которого пронизывает электронный поток. На некотором расстоянии за сетками резонатора расположен отражатель, на который подается отрицательное напряжение порядка U_ОТР = — (100... 300) В. Пространством дрейфа здесь является объем заключенный между резонатором и отражателем.

Принцип действия отражательного клистрона.

Поток электронов, эмитируемых катодом, разгоняются полем ускоряющего электрода, проходит через сетки резонатора. В резонаторе наводятся слабые колебания (эти начальные колебания возникают от неравномерности, флуктуации электронного потока, эмитируемого катодом). Под действием этих колебаний электронный поток модулируется по скорости. Пролетев сетки резонатора в одном направлении (как было сказано выше с разными скоростями), электроны тормозятся полем отражателя, при этом происходит их группировка, и возвращаются назад полем отражателя уже в виде сгустков. Внешний вид клистрона приведен на рисунке 2.

Рисунок 1. Устройство отражательного клистрона.

Рисунок 2. Внешний вид клистрона.

Группировка происходит относительно невозмущенных электронов (пролетевших через резонатор в момент t₂ на рисунке 3, когда в нем E_рез = 0). Электрон, вышедший раньше (t₁ на рисунке 3) и имеющий большую скорость, проникает в тормозящее поле отражателя глубже, следовательно, летит дольше невозмущенного и может вернуться в зазор резонатора почти одновременно вместе с ним. Электрон, вышедший позже невозмущенного электрона (t₃ на рисунке 3) и имеющий меньшую скорость, проникает в тормозящее поле на меньшее расстояние, и велика вероятность, что он вернется в резонатор вместе с невозмущенным электроном.

Рисунок 3. Процесс формирования сгустков.

При этом время пролета электронов должно быть та­ким, чтобы в момент возвращения в зазор резонатора (t₄ на рисунке 3) там существовало для них тормозящее поле. В этом случае электроны отдают энергию СВЧ полю резонатора, т. е. полю того же самого контура, при прохождении которого они модулировались по скорости (образуется положительная обратная связь, энергия возвращенного сгустка частично идет на модуляцию новых электронов).

Подобрав значения U₀ и U_ОТР, можно добиться, чтобы сгусток отраженных электронов приходил к сеткам резонатора в тот момент, когда поле в зазоре тормозящее. В силу того, что вектор скорости возвращающихся электронов противоположен вектору скорости электронов, движущихся от катода, поле в зазоре будет тормозить сгусток, когда СВЧ -потенциал второй сетки по отношению к первой будет положительным. Пролетая между сетками резонатора в тормозящем поле, сгусток электронов отдает энергию СВЧ и поддерживает возникшие в резонаторе колебания.

Цель и задачи лабораторной работы

Целью данной лабораторной работы является ознакомление с устройством и принципом действия отражательного клистрона и экспериментальное исследование основных характеристик отражательного клистрона. В ходе лабораторной работы необходимо:

- снять зависимость мощности колебаний, генерируемых клистроном, от напряжения на ускоряющем электроде P_К=f(U₀) (при U_ОТР=const).

- снять зависимость мощности и частоты генерируемых колебаний от напряжения на отражателе: P_К=f(U₀) и f = φ (U_ОТР) (при U_О=const).

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка для исследования характеристик отражательного клистрона изображена на рисунке 4. В состав лабораторной установки входят:

- блок питания (БП на рисунке 4) с плавной регулировкой напряжений, подаваемых на отражатель и резонатор (U_ОТР и U_О соответственно);

- клистрон;

- волновод (на рисунке 4 изображен сплошной линией соединяющей все элементы схемы справа от клистрона);

- направленный ответвитель (НО на рисунке 4) ослабляет сигнал, поступающий на детектор, с постоянным коэффициентом ослабления α_НО, чтобы понизить мощность, подводимую к измерительной части схемы (лишняя энергия «гаситься» в СН – согласованной нагрузке);

- аттенюатор Ат с регулируемым затуханием α_АТ – для расширения диапазона измеряемых мощностей.

- ваттметр Р_ДЕТ., измеряющий мощность, выделяющуюся на детекторе Д (в качестве индикатора в лабораторной установке используется миллиамперметр проградуированный в ваттах);

- резонансный частотомер f. (Для измерения f необходимо настроить частотомер в резонанс, добившись минимального показаниям ваттметра Р_дет. При настройке частотомера в резонанс на детектор поступает минимум СВЧ энергии.)

Рисунок 4. Лабораторная установка, (где - фланцевое соединение волноводов)

Порядок проведения работы

1. Снять зависимость P_K=f(U₀) для постоянного значения напряжения на отражателе U_ОТР. В каждой зоне генерации необходимо произвести 6-10 измерений. По полученным экспериментальным данным построить зависимость P_K=f(U₀) (см. Приложение рисунок П.1.).

Выбор значения U_ОТР.

Пробуется несколько вариантов значений напряжения U_ОТР и проверяется по ваттметру, возможно ли получить характеристику с явно выраженными зонами генерации (см. Приложение рисунок П.1.).

Перед снятием характеристики для установленного U_ОТР произвести установку затухания аттенюатора α_АТ такой величины, чтобы на всем диапазоне изменения U₀, стрелка амперметра не заходила за пределы измерения.

Измеренная мощность на детекторе пропорциональна мощности генерируемой клистроном

Таблица 1. Зависимость P_K=f(U₀) (U_ОТР=60 B, α_НО =10 дБ )

2. Снять зависимость мощности и частоты генерируемых колебаний от напряжения на отражателе P_K=f(U_0ТР), f=φ(U_ОТР) для одной из наиболее мощных зон генерации (выбрать по результатам предыдущего пункта), с постоянным значением укоряющего напряжения U₀ (соответствующему максимуму мощности в п. 1).

Таблица 2. Зависимости P_K=f(U_0ТР), f=φ(U_ОТР) (U₀=200 B, α_НО =10 дБ )

3. По данным таблицы 2 построить зоны генерации клистрона P_K=f(U_0ТР) и зависимости Δ f=φ(U_ОТР), где Δf=f –f₀ , a f₀ – средняя частота диапазона, равная 0.5(f_макс + f_мин ) в данной зоне генерации.

Для каждой зоны генерации определить крутизну электронной настройки S_эл=Δf/ΔU_отр., МГц/В и диапазон электронной настройки 2Δf_эл- изменение частоты колебания при изменении напряжения на отражателе клистрона.

Приложение

Примеры заполнения таблиц и построения графиков.

Таблица П.1 – Зависимость ( , α_но =10дБ )

Рисунок П.1. Зависимость