2. Справочные данные исследуемого клистрона.
3. Таблицы и графики измеренных зависимостей, осциллограммы.
4. Расчет номеров зон генерации клистрона.
5. Расчет диапазона и крутизны электронной перестройки.
3.6. Контрольные вопросы
1.В чем состоит отличие группирования в отражательном клистроне от группирования в пролетном клистроне?
2.В чем состоят фазовые условия самовозбуждения клистрона?
3.Чем определяется частота колебаний, генерируемых клистроном?
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
Цель работы: изучение характеристик и параметров лампы бегущей волны (ЛБВ) типа «О», их зависимостей от режима работы прибора, овладение методами измерений параметров ЛБВ.
4.1. Основные теоретические положения
Лампа бегущей волны с линейным электронным потоком (типа «О») –один из наиболее распространенных типов усилителей СВЧ. К ее достоинствам относятся широкая полоса усиливаемых частот, большой коэффициент усиления, сравнительно малые шумы. В то же время, по коэффициенту полезного действия ЛБВ уступает многорезонаторным клистронам и приборам М-типа. Лампы бегущей волны работают практически во всем диапазоне СВЧ – от дециметровых до миллиметровых длин волн. Они используются в промежуточных и выходных каскадах передатчиков систем радиорелейной и космической связи, радиолокации, радиоэлектронной борьбы, а также во входных каскадах СВЧ приемников и в измерительной аппаратуре [8], [9].
Принцип действия ЛБВ основан на длительном взаимодействии электронного потока с электромагнитным полем бегущей волны в условиях синхронизма, т. е. примерного равенства скоростей электронов 
и фазовой скорости электромагнитной волны 
. Так как электроны не могут двигаться со скоростью света, электромагнитную волну в ЛБВ замедляют с помощью специальных линий передачи – замедляющих систем (ЗС). В приборах малой и средней мощности, как правило, используются спиральные ЗС, фазовая скорость волны в которых слабо зависит от частоты. Это позволяет обеспечить работоспособность ЛБВ в широкой полосе частот, достигающей нескольких октав, и выполнение условий синхронизма. В мощных ЛБВ используются резонаторные ЗС, обладающие сильной дисперсией (зависимостью фазовой скорости от частоты), что ограничивает ширину полосы частот этих приборов до 10…20 %.
Рассмотрим механизм преобразования энергии электронного потока в ЛБВ. На рис. 4.1 показаны зависимости продольной составляющей электрического поля волны от координаты и силы 
действующей на электроны, движущиеся в поле волны. Фазовая скорость волны без потока 
и скорость электронов 
, где 
– ускоряющее напряжение, одинаковы, поэтому электроны неподвижны относительно волны. Электрическое поле волны, воздействуя на электроны, увеличивает скорости тех из них, которые находятся в ускоряющем поле 
, и уменьшает скорости электронов, находящихся в тормозящем поле 
. В результате электроны собираются в сгустки, центрами которых служат электроны, находящиеся в области изменения знака направления силы (рис. 4.1).
Чтобы образовавшийся сгусток электронов отдавал энергию волне, он должен находиться в ее тормозящем поле. Поэтому необходимо слегка увеличить скорость электронного потока. Тогда по мере своего формирования сгусток будет продвигаться относительно волны вперед, в тормозящее поле, и там отдавать свою энергию. Скорость электронов сгустка при этом уменьшается и с течением времени становится меньше скорости волны. Сгусток начинает отставать от волны, и когда он выходит из тормозящего поля, передача энергии от сгустка электромагнитному полю прекращается. В этот момент взаимодействие электронов с волной необходимо прекращать.
Линейная теория ЛБВ позволяет описать процесс взаимодействия как интерференцию трех волн, распространяющихся в замедляющей системе с электронным потоком и имеющих различные постоянные распространения 
. Одна из этих волн по мере распространения нарастает 
и таким образом обеспечивает усиление сигнала. Коэффициент усиления ЛБВ с ЗС с длиной 
определяется по формуле [2], [3].
(4.1)
где 
– абсолютное значение постоянной нарастания волны, 
– коэффициент, учитывающий, какая часть входной мощности приходится на нарастающую волну.
Постоянная α связана с безразмерным параметром 
(корнем характеристического уравнения ЛБВ) соотношением
(4.2)
где 
– «электронная» фазовая постоянная, определяющая скорость движения, 
– параметр усиления Пирса, 
– сопротивление связи ЗС, 
– ускоряющее напряжение и ток электронного луча.
Значение , в свою очередь, определяется величиной пространственного заряда в потоке, постоянной затухания «холодной» ЗС 
и параметром несинхронности
На рис. 4.2 показана зависимость от 
для 
и для различных значений параметра пространственного заряда
где 
– редуцированная плазменная частота, 
– коэффициент редукции, зависящий от радиуса пролетного канала 
, радиуса потока 
и фазовой постоянной 
(рис. 4.3), 
– плазменная частота, 
– первеанс, 
, 
– площадь сечения электронного потока, 
.
Как видно на рис. 4.2, значение сильно зависит от параметра несинхронности , величина которого на данной частоте определяется скоростью электронов 
, т. е. ускоряющим напряжением. При малых значениях параметра пространственного заряда 
, при этом 
. При увеличении параметра 
оптимальное значение увеличивается, максимальное значение уменьшается, сужается область значений параметра , в которой 
(область усиления). В этом проявляется вредное влияние пространственного заряда на процессы группирования в ЛБВ.
Постоянная также зависит от и . При малых и 
получим 
, т. е. напряженность поля входного сигнала делится поровну между тремя волнами. Холодное затухание сигнала в спирали можно приближенно учесть, введя эффективный параметр
,
где 
– параметр затухания.
Для устранения обратной связи между входом и выходом ЛБВ за счет отражений от концов ЗС в прибор вводят сосредоточенный поглотитель, дополнительно уменьшающий его коэффициент усиления. С учетом этого уменьшения и формул (4.1), (4.2) выражение для коэффициента усиления в децибелах приобретает вид:
,
где 
, 
– затухание, обусловленное сосредоточенным поглотителем, размещаемым внутри ЛБВ для предотвращения отраженных волн, 
– число замедленных волн, укладывающихся на длине ЗС – . Для малых значений и 
обычно 
, 
. Тогда
Максимальная выходная мощность и коэффициент полезного действия ЛБВ могут быть определены только с помощью нелинейной теории. Приближенные оценки дают значение КПД 
.
4.2. Описание конструкции исследуемой ЛБВ
В работе исследуется маломощная ЛБВ со спиральной замедляющей системой. Она имеет пакетированную неразборную конструкцию, т. е. все узлы лампы заключены в компактную металлическую оболочку.
Конструкция ЛБВ, показанная на рис. 4.4, имеет два основных узла: собственно ЛБВ, состоящую из электронной пушки 1, спиральной ЗС 3 и анода 10, заключенных в вакуумную стеклянную оболочку (баллон) 7, и магнитную фокусирующую систему реверсного типа, содержащую намагниченные во встречных направлениях магниты 11, полюсные наконечники 2, 5 и 9 и выравнивающие кольца 12. Связь ЛБВ с внешними цепями осуществляется с помощью волноводных переходов 4 и 8. Спиральная замедляющая система крепится в стеклянном баллоне лампы с помощью керамических стержней (опор) 6. Металлический корпус 13, резиновый изолятор 14 предохраняют внутренние части прибора от влияния внешней среды и придают жесткость всей конструкции. Поглощающая вставка – 15.
4.3. Описание измерительной установки
Установка для измерения характеристик и параметров ЛБВ (рис. 4.5) состоит из задающего генератора Г1, сигнал с которого через аттенюатор A1 поступает на щелевой мост М. С плеча 3 этого моста эталонный сигнал через вентиль В поступает в канал 1 волноводного переключателя П. С плеча 4 моста сигнал через аттенюатор А2 поступает на вход ЛБВ. С выхода ЛБВ через аттенюатор A3 сигнал поступает в канал 2 переключателя П. Каналы 1 и 2 переключателя П соединяются с детекторной головкой Д, подключенной ко входу осциллографа Осц.
При равенстве сигналов, поступающих с каналов 1 и 2, коэффициент усиления ЛБВ, очевидно, равен сумме показаний аттенюаторов А2 и A3. Наличие аттенюатора A3 на выходе ЛБВ позволяет измерить коэффициент усиления при различных уровнях входной мощности, задаваемой аттенюаторами A1 и А2. При определении коэффициента усиления необходимо учитывать коэффициент деления мощности мостов М, значения которого приводятся в «Инструкции по включению измерительной установки».
4.4. Программа работы и указания по ее выполнению
1. На средней частоте диапазона снять амплитудную характеристику ЛБВ в двух режимах: при номинальном токе катода 
и при 
. Для каждого тока определить точку максимальной выходной мощности и снять одну – две точки на падающем участке характеристики. Напряжение на спирали поддерживать в каждом случае постоянным, равным оптимальному при малом сигнале.
2. При двух уровнях входной мощности, соответствующих: а) линейному участку амплитудной характеристики и б) участку насыщения выходной мощности, снять амплитудно-частотные характеристики ЛБВ при постоянном напряжении на спирали.
3. Получить дисперсионную характеристику замедляющей системы, для чего снять зависимость оптимального напряжения на спирали от частоты при токе катода и минимально возможном уровне входной мощности.
4. На средней частоте диапазона снять зависимость коэффициента усиления и оптимального напряжения на спирали от катодного тока при двух указанных выше уровнях входной мощности.
5. При тех же условиях, что и в п. 4, снять зависимость коэффициента усиления от напряжения на спирали для двух значений катодного тока и
4.5. Содержание отчета
1. Цель работы.
2. Схему и краткое описание измерительной установки, условное обозначение ЛБВ и ее паспортные данные.
3. Дисперсионная характеристика ЗС ЛБВ, построенная в координатах 
, 
( – коэффициент замедления).
4. Сопротивление связи ЗС для условий п. 5. из 4.4.
5. Параметр усиления 
для средней и крайних частот диапазона при двух значениях тока катода ЛБВ.
6. Результаты исследования, оформленные в виде таблиц и графиков. Таблицы и графики должны быть снабжены заголовками и необходимыми пояснениями.
4.6. Контрольные вопросы
1. Что такое условие синхронизма?
2. Как зависит коэффициент усиления ЛБВ от ускоряющего напряжения на аноде и замедляющей системы?
3. Опишите методику измерения коэффициента усиления ЛБВ.