09 ЛБВО УВ-1 (Лабораторный практикум)

9

Цель работы – ознакомиться с устройством и принципом действия лампы бегущей волны (ЛБВ) десятисантиметрового диапазона с фокусировкой электронного пучка с помощью соленоида (фокусирующей катушки), а также экспериментально исследовать основные характеристики и параметры ЛБВ.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Схема лабораторной установки для исследования ЛБВ десятисантиметрового диапазона с фокусировкой электронного пучка с помощью соленоида (фокусирующей катушки) приведена на рисунке 1. Питание ЛБВ осуществляется блоком питания, состоящего из двух блоков В₁ и В₂ и питающего все электроды ЛБВ.

Рисунок 1. Схема лабораторной установки для исследования ЛБВ десятисантиметрового диапазона с фокусировкой электронного пучка с помощью соленоида: ГСС – генератор стандартных сигналов; _ВХ1 – затухание аттенюатора генератора сигналов; ФК – фокусирующая катушка; Д – детектор.

На выходе стабилизированного выпрямителя В₁, дающего выпрямленное напряжение около 600 В, включен делитель напряжения (резисторы R₂ – R₃ – R₄). с которого снимаются необходимые для питания электродов ЛБВ напряжения. Напряжение на делителе R₂ – R₃ – R₄ устанавливается первоначальной регулировкой стабилизатора при помощи регулируемого резистора R₁. Все напряжение, снимаемое с делителя, подается на коллектор ЛБВ и измеряется вольтметром V_К-СП с пределом измерений 500 В. Этим же вольтметром может быть измерено напряжение на спирали. Для этого служит тумблер К₂, имеющий два положения: U_СП( напряжение на спирали) и U_К (напряжение на коллекторе). Напряжение на спирали U_СП регулируется потенциометром R₄. Напряжение на первом аноде U_А1 регулируется потенциометром R₃ и измеряется вольтметром V_А1 с пределом измерений до 100 В. Для измерения напряжения на управляющем электроде U_УЭ служит вольтметр V_УЭ с пределом измерений до 25 В. Напряжение на управляющем электроде регулируется потенциометром R₂. Ток спирали I_СП и ток коллектора I_К измеряются микроамперметром мкА_К-СП с пределом измерений до 500 мкА. Микроамперметр мкА_К-СП может быть включен в цепь спирали или коллектора при помощи переключателя К₁ на два положения: I_СП (ток спирали) и I_К (ток коллектора). Напряжение накала ЛБВ регулируется реостатом R_Н и измеряется вольтметром V_Н с пределом измерений до 7,5 В. Ток фокусирующей катушки I_ФК измеряется амперметром А_ФК. Все измерительные приборы и органы управления установлены на передней панели блока питания.

. Источником входного сигнала усилителя на ЛБВ является генератор сигналов СВЧ типа Г4-80. Мощность сигнала на входе ЛБВ может быть определена из соотношения (1).

Р_{ВХ ЛБВ} = Р_ГЕН/10^{0,1 вх} (1)

где: _вх – затухание аттенюатора генератора сигналов в дБ;

Р_ген = 1 Вт– калиброванная мощность генератора.

Р_{вх ЛБВ} – мощность сигнала на входе ЛБВ.

Для измерения выходной мощности ЛБВ с выходным волноводом связан детектор Д, ток которого измеряется микроамперметром мкА_Д. Микроамперметр проградуирован в мощности колебаний, поступающих на детектор.

СОДЕРЖАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ
ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с лабораторной установкой, назначением измерительных приборов и органов управления, расположенных на передних панелях блока питания и генератора стандартных сигналов.

2. Ручку реостата "Напряжение накала" и ручки всех потенциометров, регулирующих напряжения на электродах ЛБВ и ток соленоида, установить в крайнее левое положение. Тумблером "Сеть" включить блок питания и дать прогреться катодам ламп блока питания в течение 2-3-х минут. Тумблером "Анод" включить блок питания. Включить генератор.

3. Снять зависимость выходной мощности от тока фокусирующей катушки Р_ВЫХ = f₁(I_ФК) при Р_ВХ = const, f = const, U_СП= U_{СП ОПТ} = const и постоянных напряжениях на остальных электродах, указанных в таблице 1.

Фокусирующая катушка в ЛБВ предназначена для предотвращения поперечной расфокусировки электронных сгустков, происходящей под действием объемного заряда электронов в сгустках. Следовательно, изменяя ток в фокусирующей катушке, мы тем самым изменяем величину напряженности продольного магнитного поля. При малых токах, протекающих через катушку, величина напряженности магнитного, препятствующего уходу электронов на замедляющую систему (ЗС), недостаточна и значительная часть электронов попадает на ЗС, т.е. не участвует в процессе преобразования энергии, поэтому выходная мощность мала. По мере увеличения I_ФК возрастает удерживающая со стороны магнитного поля сила и все больше электронов передают энергию бегущей СВЧ волне, в результате выходная СВЧ мощность возрастает. При больших напряженностях магнитного поля (большие значения I_ФК) выходная мощность падает из-за уменьшения сопротивления связи (электроны "прижимаются " полем ближе к оси ЛБВО и взаимодействуют с меньшей напряженностью продольного электрического СВЧ поля).

Для снятия указанной зависимости перевести переключатель К_I в положение I_СП (ток спирали). Установить заданное напряжение на коллекторе U_K и после этого напряжение на первом аноде U_А1 и управляющем электроде U_УЭ. Установить ток соленоида, соответствующий минимальному току спирали. Подать на вход ЛБВ сигнал от ГСС, величина которого задается в таблице 1, и изменением напряжения на спирали добиться максимума выходной мощности ЛБВ (максимум показаний микроамперметра детектора мкА_Д). Определенное таким образом напряжение на спирали будет соответствовать опримальному напряжению U_{СП ОПТ}. Изменяя ток соленоида от I_{ФК МИН} , при котором появляется мощность на выходе ЛБВ (микроамперметр мкА_Д при этом должен быть переключен на шкалу с наименьшим пределом измерений), до I_{ФК МАКС}, измерить мощность для 8-10 значений I_ФК.

Экспериментальные данные занести в таблицу 1 и затем построить зависимость Р_ВЫХ = f1(I_ФК) при Р_ВХ = const, f= const, U_СП= U_{СП ОПТ} = const и постоянных напряжениях на остальных электродах. Определить I_ФК = I_{ФК ОПТ}, соответствующее максимальной мощности на выходе ЛБВ.

Таблица 1.

4. Снять характеристику взаимодействия Р_ВЫХ = f2(U_СП) при Р_ВХ = const, f= const, I_ФК = I_{ФК ОПТ} = const и постоянных напряжениях на остальных электродах, указанных в таблице 2.

.

При варьировании напряжения на спирали происходит изменение скорости электронов, поступающих в замедляющую систему, где распространяется электромагнитная волна. Доля кинетической энергии, передаваемой электронным потоком электромагнитной волне, зависит от их скоростей, т.е. от относительного угла пролета =l(1/v_Ф - 1/v_е), где  и v_Ф –частота и фазовая скорость электромагнитной волны, соответственно, v_е – скорость электронного потока. При = усредненная за период энергия, передаваемая волне от пучка, будет максимальной. В этом сдучае электронный сгусток находится все время в тормозящем поле волны и отдает максимум энергии.

При увеличении v_е (по сравнению со случаем =)  уменьшается. В этом случае уменьшается коэффициент модуляции электронного пучка по скорости, электроны группируются в сгустки дальше от входа ЛБВ (ближе к выходу) и сгусток меньшее время взаимодействует с волной. Энергия, отдаваемая волне, падает.

При уменьшении v_е ( по сравнению со случаем =)  увеличивается. Часть электронов сгустка в области выхода ЛБВ попадает в ускоряющее поле волны и, следовательно, забирают энергию у волны. Вследствии этого выходная мощность падает. При некотором значении v_е  v_Ф мощность падает до нуля, в этом случае электроны формируются в сгустки в области ускоряющего поля волны, т.е. они ускоряются волной и, следовательно, отбирают энергию у нее.

Снятие характеристики взаимодействия производить в следующем порядке. Установить величину тока фокусирующей катушки I_ФК = I_{ФК ОПТ}. Напряжение на спирали U_СП изменять через (5 – 10) В, начиная с момента появления показаний прибора мкА_Д и до значения U_СП , при котором мощность Р_ВЫХ уменьшится до нуля.

Экспериментальные данные занести в таблицу 2 и затем построить зависимость Р_ВЫХ = f2(U_СП) при Р_ВХ = const, f= const, I_ФК = I_{ФК ОПТ} = const и постоянных напряжениях на остальных электродах.

Таблица 2.

5. Снять амплитудную характеристику Р_ВЫХ = f₃(Р_ВХ) при f = const, U_СП = U_{СП ОПТ} = const, I_ФК = I_{ФК ОПТ} = const и при постоянных напряжениях на остальных электродах, указанных в таблице 3.

При увеличении амплитуды входного СВЧ сигнала возрастает модуляция электронного потока по скорости, электронные сгустки формируются ближе ко входу замедляющей системы, и по скольку средняя скорость сгустков определяется напряжением на спирали, относительный угол пролета будет возрастать, так как возрастает расстояние, на котором сформированные сгустки взаимодействуют с волной. Доля передаваемой кинетической энергии от сгустков волне увеличивается, что приводит к росту выходной мощности Р_ВЫХ. При больших уровнях входной мощности Р_ВЫХ начинает уменьшаться, что связано с перегруппировкой электронных сгустков из-за большой разности скоростей электронов, образующих сгустки, и продольной разгруппировкой сгустков. Часть электронов сгустков при приближении к выходу ЛБВ может вообще попасть в ускоряющую область СВЧ волны и забирать у нее энергию, что и вызывает уменьшение Р_ВЫХ.

Снятие амплитудной характеристики рекомендуется производить в следующей последовательности. Установить напряжения на электродах ЛБВ, указанные в таблице 3. Мощность входного сигнала Р_ВХ изменять от 0,125 мкВт до 1 мВт через 3 дБ.

Таблица 3.

Экспериментальные данные занести в таблицу 3, вычислить коэффициент усиления ЛБВ по мощности К_Р= 10 lg(Р_ВЫХ/ Р_ВХ) , дБ и на общем графике построить амплитудную характеристику Р_ВЫХ = f₃(Р_ВХ) и коэффициент усиления ЛБВ по мощности К_Р= 10 lg(Р_ВЫХ/ Р_ВХ) при f = const, U_СП = U_{СП ОПТ} = const, I_ФК = I_{ФК ОПТ} = const и при постоянных напряжениях на остальных электродах.

При построении указанных характеристик Р_ВХ и Р_ВЫХ откладывать в логарифмическом масштабе.

ОТЧЕТ

по лабораторной работе студент: