2.4. Программа работы и указания к ее выполнению
1. Исследовать работу клистрона при синхронной настройке резонаторов.
1.1. Исследовать зависимость формы АЧХ от уровня входной мощности. Зарисовать соответствующие осциллограммы. Определить полосу рабочих частот 
.
1.2. Измерить амплитудную характеристику клистрона на трех частотах: 
, 
, 
( 
полоса рабочих частот для оптимального уровня 
).
2. Исследовать работу клистрона в режиме максимального КПД.
2.1. Повторить операции п. 1 данного раздела.
2.2. Измерить максимальную выходную мощность, рассчитать КПД.
2.3. Измерить и сравнить температуру коллектора в двух случаях: при поданной мощности возбуждения и без нее.
2.4. Зарисовать эскиз резонатора, измерить основные размеры пространства взаимодействия.
Порядок работы с приборами и последовательность измерений осуществляется по специальной инструкции, выдаваемой преподавателем в начале лабораторной работы.
2.5. Содержание отчета
1. Амплитудно-частотные характеристики прибора в линейном режиме и режиме максимального КПД для разных уровней входной мощности.
2. Амплитудные характеристики для тех же режимов на частотах , , .
3. Расчет коэффициента полезного действия и полосы рабочих частот.
4. Расчет угла пролета между центрами зазоров в двухзазорном резонаторе.
5. Сравнение измеренного коэффициента усиления и рассчитанного по формуле (2.6).
6. Выводы по работе.
2.6. Контрольные вопросы
1. Назовите основные конструктивные элементы клистрона и их функциональное назначение.
2. Объясните, в чем различие физических явлений, происходящих в зазоре резонатора и в пространстве дрейфа.
3. Как влияет характеристическое сопротивление резонатора и нагрузочная добротность 
на величину СВЧ-напряжения на зазоре?
4. Объясните, в чем различие процессов, происходящих во входном, промежуточном и выходном резонаторах.
5. Назовите основные параметры и характеристики прибора и метод их измерения.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО КЛИСТРОНА
Цель работы: ознакомление с конструкцией и принципом действия отражательного клистрона, изучение его основных параметров и характеристик.
3.1. Основные теоретические положения
В лабораторной работе исследуется отражательный клистрон сантиметрового диапазона, который применяется в качестве гетеродина в приемниках СВЧ-диапазона, в измерительной, радиорелейной и другой аппаратуре. Широкому внедрению отражательных клистронов в технику СВЧ способствовали такие их достоинства, как простота конструкции, возможность механической перестройки частоты и, в особенности, способность практически безынерционно изменять частоту генерируемых колебаний при изменении потенциала на отражателе. Это позволяет применять отражательные клистроны в схемах с автоматической подстройкой частоты, а также для частотной модуляции СВЧ-сигнала. Основной недостаток отражательного клистрона – малый КПД, составляющий несколько процентов; ввиду этого отражательные клистроны используются в маломощных схемах с выходной мощностью от десятков милливатт до нескольких ватт [6], [7]. 
В отражательных клистронах, как и в пролетных, используется динамический метод управления плотностью электронного тока. Устройство и принцип действия прибора поясняет рис. 3.1, а. Основные конструктивные узлы отражательного клистрона: электронная пушка 1, состоящая из термокатода, фокусирующего электрода и ускоряющей сетки (анода), тороидальный объемный резонатор 2 и отражатель 3. Распределение потенциала в отражательном клистроне показано на рис. 3.1, б. На анод подается положительное напряжение 
– относительно катода, на отражатель – отрицательное напряжение 
.
Время пролета электронов в пространстве «резонатор–отражатель» 
зависит от потенциала отражателя , и в рассматриваемом случае двум значениям потенциала отражателя 
и 
соответствуют времена пролета 
и 
.
3.1.1. Стационарный режим работы отражательного клистрона
 |
Электронная пушка формирует поток электронов с энергией 
. Электроны со скоростью 
влетают в зазор резонатора, в котором существуют высокочастотные колебания. В зазоре происходит скоростная модуляция потока. Электроны, проходящие зазор в ускоряющий полупериод, приобретают дополнительную энергию от высокочастотного электрического поля и выходят из зазора со скоростью, большей 
. Электроны, проходящие зазор при нулевом значении высокочастотного поля, не изменяют своей скорости. Те электроны, которые пролетают зазор резонатора при тормозящем поле, отдают часть своей энергии высокочастотному полю и выходят из резонатора со скоростью, меньшей .
В пространстве между резонатором и отражателем все электроны тормозятся полем отражателя до полной остановки и возвращаются обратно к резонатору. Из-за различия начальных скоростей начнется модуляция плотности заряда, т.е. в этом пространстве происходит группирование электронного потока. Ускоренные в резонаторе электроны, обладая большей энергией, подходят ближе к отражателю, их путь и время движения в пространстве группирования будет больше, чем у замедленных электронов.
На рис. 3.2 показало распределение потенциала между резонатором и отражателем для двух значений потенциала отражателя 
и 
. Здесь же представлен график высокочастотного напряжения на зазоре резонатора и пространственно-временная диаграмма движения электронов. Как видно из рисунка, электроны, прошедшие зазор резонатора в разные моменты времени, возвращаясь обратно к резонатору, сближаются, образуя группы (сгустки). Электронный поток, имевший первоначально постоянную плотность, преобразуется в последовательность сгустков. Частота следования сгустков соответствует частоте модулирующего поток высокочастотного напряжения на зазоре резонатора. Для поддержания колебаний в резонаторе необходимо, чтобы сгусток возвращался в зазор резонатора в тормозящий полупериод высокочастотного напряжения. При торможении сгустка происходит передача энергии от электронного потока полю резонатора. Поскольку сгустки содержат большую часть электронов потока, передаваемая электромагнитному полю энергия будет больше, чем потери на ускорение электронов, не входящих в сгусток и пролетающих зазор резонатора в ускоряющий полупериод.
Из пространственно-временной диаграммы видно, что условие поддержания колебаний в резонаторе может выполняться при различных напряжениях на отражателе, для которых время пролета электронов в пространстве группирования отличается на период высокочастотного напряжения 
. В общем случае
(3.1)
Здесь 
– число периодов колебаний за время пролета электронов. Время пролета электронов в пространстве группирования может быть рассчитано по формуле [10]:
где и – потенциалы резонатора и отражателя, 
– расстояние от резонатора до отражателя в сантиметрах. Если время пролета заметно отличается от 
, то колебания в резонаторе не поддерживаются. Рабочая характеристика отражательного клистрона имеет вид отдельных зон (рис. 3.3). Номер зоны здесь соответствует числу периодов в формуле (3.1). В пределах рабочей зоны частота и уровень генерируемой мощности зависят от напряжения отражателя.
Эффект изменения частоты называется электронной перестройкой частоты и объясняется тем, что при отклонении напряжения отражателя от оптимального сгустки приходят не в максимум тормозящего поля, а раньше или
 |
позже. Это приводит к сдвигу фазы между током и напряжением в резонаторе, причем в контур вносится некоторая реактивная проводимость, вызывающая изменение частоты генерации (рис. 3.3).
Электронная настройка характеризуется диапазоном и крутизной. Диапазон электронном настройки определяется на уровне половинной мощности для каждой зоны генерации. Крутизна электронной настройки для середины зоны может быть рассчитана по формуле
,
где – частота, соответствующая середине зоны генерации, – номер зоны, ( – нагруженная добротность резонатора, и – потенциалы резонатора и отражателя.
3.1.2. Самовозбуждение колебаний
Возбуждение колебаний в резонаторе отражательного клистрона происходит при условии, что потенциал отражателя соответствует рабочей зоне. При включении клистрона в результате прохождения фронта электронного потока возбуждается электромагнитное поле в резонаторе, которое модулирует поток, проходящий через зазор. Если выполняется фазовое соотношение (3.1), колебания в резонаторе нарастают, в результате усиливается скоростная модуляция и группирование электронов потока в сгустки.
Существует, однако, оптимальное значение модулирующего напряжения, при котором сгусток приобретает наибольшую плотность в момент возвращения в зазор резонатора. Дальнейшее возрастание переменного напряжения на зазоре резонатора приводит к тому, что наибольшая плотность сгустка достигается в пространстве группирования до прихода его в зазор, при этом передача энергии от потока к полю резонатора уменьшается. Качество группирования оценивается параметром группирования 
который определяется соотношением:
, (3.3)
где 
– коэффициент взаимодействия электронного потока с полем в зазоре резонатора, 
– амплитуда переменного напряжения на зазоре, 
– ускоряющее напряжение, 
– рабочая круговая частота, – время пролета электронов в пространство группирования, определяемое по (3.2). Оптимальному сгустку соответствует значение параметра группирования 
= 1,84. Соотношение (3.3) определяет значение амплитуды переменного напряжения 
которая устанавливается на зазоре резонатора при данном времени пролета . Поскольку время пролета уменьшается с уменьшением номера зоны генерации, наибольшая амплитуда и выходная мощность получаются для нулевой зоны. Реально отражательные клистроны, особенно в коротковолновой части сантиметрового диапазона, работают в высших зонах, так как для получения нулевой зоны требуется слишком большое отрицательное напряжение на отражателе.
3.2. Конструкция отражательного клистрона
Один из вариантов конструкции металлического отражательного клистрона приведен на рис. 3.4. Здесь: 1 – блок катода, 2 – резонатор, 3 – отражатель, 4 – коаксиальный вывод энергии, который служит элементом связи, возбуждающим колебания в волноводной линии, 5 – настроечный винт, 6 – дугообразные пружины, 7 – стойка, 8 – штенгель, 9 – октальный цоколь. Механическая перестройка частоты производится винтом 5, который с помощью пружины 6 перемещает верхнюю стенку объемного резонатора, выполненную в виде гибкой диафрагмы. В результате изменяется объем полости резонатора и его рабочая частота.
3.3. Описание измерительной установки
Принципиальная схема установки для исследования отражательного клистрона (рис. 3.5) включает в себя отражательный клистрон 1, блок питания 2, линию передачи 3, измеритель малой мощности 4, волномер 5, детекторную секцию 6, осциллограф 7. Установка позволяет измерить мощность и частоту генерируемых отражательным клистроном колебаний при различных значениях напряжений на резонаторе и отражателе. Применение осциллографа дает возможность наблюдать зоны генерации отражательного клистрона при подаче на отражатель пилообразного напряжения. Детально описание работы на измерительной установке приведено в «Инструкции по включению установки и проведению измерений».
3.4. Программа работы и указания по ее выполнению
1. Ознакомиться с конструкцией отражательного клистрона, схемой установки и измерительной аппаратурой.
2. Включить установку, добиться генерации отражательного клистрона, настроить измеритель малой мощности и волномер.
3. Меняя вручную напряжение на отражателе, определить границы зон генерации клистрона и частоту колебаний.
4. Снять зависимости мощности и частоты от напряжения отражателя при нескольких значениях напряжения анода в нескольких точках рабочего диапазона.
5. Настроить схему измерений. Зарисовать зоны генерации клистрона. Перестраивая волномер, получить частотную метку на экране осциллографа и измерить диапазон электронной перестройки для всех зон генерации.
3.5. Содержание отчета
Отчет должен содержать:
1. Схему установки.