5.4. Программа работы и рекомендации по ее выполнению

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

1. Ознакомьтесь с 5.1–5.3 данного пособия. Составьте план исследования ЛОВ и согласуйте его с преподавателем.

2. Исследуйте зависимость выходной мощности ЛОВ и частоты генерации от ускоряющего напряжения для трех токов луча . Рекомендуемые значения величин тока и диапазон изменения задаются преподавателем или лаборантом.

3. Исследуйте зависимость пускового тока от ускоряющего напряжения . Для этого воспользуйтесь осциллографом или измерителем мощности для фиксации момента появления генерации.

4. Исследуйте форму зависимости выходной мощности от частоты для разных внешних нагрузок. Так же как и в п. 3, используйте осциллографическую индикацию зоны генерации.

5.5. Содержание отчета

1. Цель работы, схема измерительной установки и эскиз прибора.

2. Экспериментальные зависимости по пп. 2–4 в 5.4.

3. Расчет и соответствующий график.

4. Расчет крутизны электронной настройки и подстройки.

5. Дисперсионная зависимость замедляющей системы, построенная в координатах и , где – скорость света, – длина волны в свободном пространстве, с использованием экспериментальной зависимости ЗС и условия синхронизма (5.2). В расчетах учесть, что данная ЛОВ работает на минус первой пространственной гармонике . В случае затруднения в построении обратитесь к [5].

6. Оценка величины с использованием (5.3) и (5.4) и максимального КПД, полученного в эксперименте.

7. Оценка величины продольной составляющей электрического поля для первой пространственной гармоники эффективного напряжения в сравнении с ускоряющим напряжением , для случая

8. Анализ изменения формы зон генерации при изменения нагрузки.

9. Выводы по работе.

5.6. Контрольные вопросы

1. В чем принципиальное отличие ЛОВ и ЛБВ?

2. Что такое условие синхронизма?

3. Почему ЛОВ используются чаще как генераторы, а ЛБВ как усилители СВЧ-диапазона?

4. Как можно объяснить изрезанность зависимости выходной мощности ЛОВ от частоты?

5. Почему ЛОВ работает, только начиная с некоторого граничного тока?

6. ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОРЕЗОНАТОРНОГО МАГНЕТРОНА

Цель работы: ознакомление с устройством многорезонаторного магнетрона и принципом его работы, измерение основных параметров и характеристик прибора и исследование их зависимостей от режимов работы.

6.1. Основные теоретические положения

6.1.1. Устройство и принцип работы магнетрона

Основными элементами магнетрона являются: катод К, анод А, вывод энергии. Анод магнетрона представляет собой массивный медный цилиндр, в котором имеются полости сложной конфигурации – резонаторы. На рис. 6.1 представлено распределение электрического высокочастотного поля одного из резонаторов (резонатор типа «щель – отверстие»). Совокупность резонаторов образует колебательную систему магнетрона, последняя из-за наличия сильной связи между резонаторами имеет несколько резонаторных частот, и в ней могут возбуждаться колебания различных видов, отличающиеся длиной волны и распределением электромагнитного поля.

Практически наиболее важным видом колебания является -вид, который обеспечивает устойчивую работу магнетрона с высоким коэффициентом полезного действия и используется почти во всех современных магнетронах. Этот вид колебаний характеризуется тем, что колебания в соседних резонаторах происходят со сдвигом фаз, равным 180°, т. е. рад (с чем и связано их название).

Для работы магнетрон помещается в магнитное поле, параллельное его оси, создаваемое постоянными магнитами или электромагнитами.

Рассмотрим качественно принцип работы многорезонаторного магнетрона. При подаче анодного напряжения электроны, вылетающие из накаленного катода, под воздействием этого напряжения начинают двигаться по направлению к аноду. При отсутствии осевого магнитного поля электроны двигались бы к аноду по радиальным прямым. Наличие магнитного поля приводит к искривлению траекторий электронов в магнетроне в статическом режиме (рис. 6.2). При некоторой величине индукции магнитного поля, называемой критической , траектории искривляются настолько, что электроны, не достигая анода, возвращаются на катод.

Такая картина движения электронов в пространстве между катодом и анодом магнетрона справедлива, если не принимать во внимание электрическое поле, возникающее в результате возбуждения колебательной системы магнетрона. Это поле оказывает существенное влияние на характер движения электрона и определяет механизм преобразования энергии электронного потока в энергию высокочастотных колебаний. Рассмотрим движение электронов в междуэлектродном пространстве при наличии высокочастотного поля, картина силовых линий которого показана на рис. 6.3. На восходящей части траекторий электрон ускоряется анодным напряжением, его кинетическая энергия возрастает, достигая максимума вблизи вершины траектории. Характер действия высокочастотного поля зависит от его фазы в момент прохождения электрона через среднюю плоскость резонатора (плоскость вв на рис. 6.3). Если высокочастотное поле оказывается тормозящим, электрон передает полю часть своей кинетической энергии. Оставшейся кинетической энергии оказывается недостаточно для возвращения электрона на катод, и электрон, двигаясь по нисходящей части траектории, полностью теряет скорость и останавливается в точке М траектории. Затем такой электрон, который принято называть «электроном отдачи», под действием ускоряющего анодного напряжения снова начинает движение к аноду. Траектории «электронов отдачи» изображены на рис. 6.3. При повторении условий взаимодействия с высокочастотным полем очередного резонатора он вновь передает полю резонатора часть своей кинетической энергии, останавливается в точке О траектории и начинает следующий цикл движения в сторону анода. Величина энергии, переданной от электрона высокочастотному полю на рассмотренном участке траектории КЛМНО, определяется разностью полной энергии электрона в точках К и О . Поскольку в точках К и O кинетическая энергия электрона равна нулю, то разность полной энергии равна разности потенциальной энергии в указанных точках. Таким образом,

,

где и – потенциальная энергия электрона в точках К и О.

Полагая, что между катодом и анодом приложена разность потенциалов и анод заземлен (потенциал анода ), находим, что потенциал точки К равен и потенциальная энергия электрона в этой точке определяется формулой . Потенциальная энергия электрона в точке O определяется через потенциал этой точки и .

С учетом полученных выражений находим

Характер изменения потенциальной и кинетической энергии электрона при движении по траектории KЛМНО показан на рис. 6.4.

Помимо уже рассмотренных «электронов отдачи» в магнетроне существуют «электроны потерь». Это те электроны, которые в процессе взаимодействия с высокочастотным полем ускоряются и отбирают энергию от поля. Такие электроны, приобретая дополнительную кинетическую энергию, возвращаются на катод и выбывают из процесса взаимодействия с высокочастотным полем уже после первого цикла. Избыточная кинетическая энергия, с которой они возвращаются на катод, приводит к дополнительному разогреву катода. Благодаря тому что время существования «электронов потерь» ограничено одним циклом взаимодействия, эффект взаимодействия «электронов отдачи» является преобладающим, что приводит в среднем к преобразованию энергии электронов в энергию высокочастотного поля.

Наряду с процессом «сортировки» электронов большое значение имеет их группирование, в результате которого появляются уплотнения электронного облака, имеющие форму вращающихся спиц. Процесс группирования обусловлен влиянием радиальной составляющей высокочастотного поля, которая усиливает или ослабляет суммарное электрическое поле между катодом и анодом, определяющее темп циклоидального движения электронов. В результате средняя «переносная» вращательная скорость электронного облака по обе стороны от резонатора становится различной. Сближение более «быстрых» и «медленных» электронов происходит под резонаторами, имеющими в данный момент тормозящее поле.

Для того чтобы большинство электронов отдавало энергию полю резонаторов, скорость вращения электронных «спиц» должна обеспечивать их прохождение под каждым очередным резонатором при тормозящей фазе высокочастотных колебаний; иными словами, необходима «синхронизация» взаимодействия вращающегося облака электронов с высокочастотным полем.

Уже на основании приведенного качественного описания механизма взаимодействия электронного потока и поля можно сделать вывод о том, что высокочастотные колебания в магнетроне возможны лишь при выполнении определенных условий. Рассмотрим эти условия.

6.1.2. Область рабочих режимов магнетрона

Передача энергии электронов переменному полю резонаторной системы происходит в процессе петлеобразного, ступенчатого движения электронов от катода к аноду. Очевидно, что процесс передачи энергии будет невозможен и колебания в магнетроне не возникнут, если индукция магнитного поля меньше критической и электроны будут достигать анода, не описывая петель. Расчет дает следующую формулу, связывающую величину критической индукции с геометрией междуэлектродного пространства и приложенной разностью потенциалов [9], [10]:

(6.1)

где – критическая индукция, выраженная в гауссах, и – радиусы катода и анода, выраженные в сантиметрах, – разность потенциалов в вольтах. При заданном значении формула (6.1) позволяет определить критическое значение ускоряющего напряжения . Если , то электроны попадают на анод магнетрона, не описывая петель, и режим генерации невозможен. Зависимость , построенная в соответствии с формулой (6.1) в системе координат , , носит название параболы критического режима и определяет верхнюю границу области генерации. Вся рабочая область магнетрона изображена на рис. 6.5.

Необходимым условием передачи энергии электронов высокочастотному полю при петлеобразном движении электронов в пространстве взаимодействий является синхронизация азимутального перемещения электронов с изменением высокочастотного поля резонатора. При колебаниях -вида для эффективного многократного взаимодействия «электронов отдачи» с высокочастотным полем они должны перемещаться между средними плоскостями соседних резонаторов за время, равное половине периода высокочастотных колебаний. Среднее расстояние между указанными плоскостями, измеренное на уровне среднего радиуса равно

(6.2)

где – число резонаторов анодного блока. Средняя скорость азимутального движения в скрещенных полях, как известно, определяется отношением напряженности электрического поля к индукции магнитного поля [5]: .

Так как , то

(6.3)

С учетом (6.2) и (6.3) получаем следующее выражение для среднего времени пролета электронов между средними плоскостями соседних резонаторов:

Сформулированное выше условие синхронизации требует, чтобы ( – период высокочастотных колебаний), т. е.

Таким образом получаем следующую формулу, выражающую условие синхронизации и возникновения колебаний -вида:

(6.4)

где – частота высокочастотных колебаний.

Из формулы (6.4) нельзя получить значения анодного напряжения и магнитной индукции, соответствующие режиму самовозбуждения магнетрона, однако при любой фиксированной магнитной индукции значения анодного напряжения из (6.4) оказываются выше минимальных и близки к номинальным значениям, при которых параметры магнетрона оптимальны. Поэтому выражение (6.4) обычно используют при выборе электрического режима магнетрона.

Более строгий анализ дает уточненную формулу для потенциала, при котором возникает генерация в магнетроне [11]:

(6.5)

где – масса и заряд электрона. Этот потенциал носит название порогового потенциала. Используя связь между частотой и длиной волны в свободном пространстве , можно переписать формулу (6.5) в следующем удобном для расчета виде [11]:

(6.6)

В этой формуле пороговое напряжение выражено в вольтах, индукция магнитного поля в гауссах, геометрические размеры и длина волны в сантиметрах.

Зависимость от – пороговая прямая показана на рис. 6.5 и определяет нижнюю границу рабочей области магнетрона.

6.1.3. КПД магнетрона

Электронный КПД магнетрона определяет эффективность преобразования энергии электронного потока в энергию высокочастотных колебаний , возбуждаемую в резонаторной системе, по отношению к подводимой мощности

,

где – анодный ток магнетрона в режиме генерации. В общем случае величина электронного КПД магнетрона находится в сложной зависимости от геометрии и электрического режима магнетрона. Простая приближенная формула для оценки электронного КПД может быть получена на основании следующих соображений. Ограничимся рассмотрением «электронов отдачи». Энергия, переданная высокочастотному полю в процессе многократного взаимодействия, для «электронов отдачи» может быть определена как разность полной энергии электрона на катоде и аноде :

(6.7)

Исходя из определения электронного КПД, с учетом (6.7) можем записать:

Кинетическая энергия электронов на катоде равна нулю, поэтому полная энергия равна потенциальной энергии;

Потенциал анода принят равным нулю. Следовательно, на аноде потенциальная энергия равна нулю . В этом случаи полная энергия равна кинетической энергии , с которой «электрон отдачи» попадает на анод, т. е. . Полагая, что электрон, попадающий на анод, имеет скорость равную средней скорости азимутального движения, и что кинетическая энергия электрона, движущегося в радиальном направлении, определяется работой сил на пути от катода к аноду, можно оценить величину :

С учетом изложенного получаем выражение для электронного КПД:

(6.8)

Так как входящие в эту формулу величины и связаны между собой условием синхронизации (6.4), то, подставляя (6.4) в (6.8), получаем

После подстановки численных значений констант и перехода от частоты к длине волны получим следующую формулу для оценочного расчета электронного КПД:

(6.9)

в которой индукция выражена в гауссах, а длина волны в сантиметрах.

Для критического режима электронный КПД равен нулю и возрастает по мере увеличения магнитной индукции, если анодное напряжение изменяется согласно выражению (6.4).

Для различных типов магнетронов значение электронного КПД колеблется в пределах от 40 до 80 %.

Полный КПД магнетрона определяется отношением мощности, отдаваемой магнетроном в нагрузку , к подведенной мощности :

Полный КПД удобно представлять в виде произведения электронного КПД и КПД резонаторной системы

КПД резонаторной системы может быть рассчитан по формуле

,

где и – соответственно собственная и нагруженная добротности резонаторной системы, которые определяются путем расчета или специальных измерений. Величина в существующих типах магнетронов лежит в пределах 60…95 %.

6.1.4. Рабочие характеристики магнетрона

К рабочим характеристикам относятся вольтамперные характеристики, снятые при постоянных значениях магнитной индукции, а также зависимости выходной мощности, КПД и частоты генерации от анодного напряжения и тока магнетрона. Обычно под вольтамперными характеристиками принято понимать зависимость тока от напряжения, построенные в координатах . В случае магнетрона первый тип рабочих характеристик представляет собой зависимости анодного напряжения от анодного тока , снятые при постоянных значениях магнитной индукции и построенные в координатах (рис. 6.6). Поскольку каждая из характеристик, образующая семейство, снимается при постоянном значении магнитной индукции, то эти характеристики называются также кривыми постоянной магнитной индукции.

Ко второму типу рабочих характеристик магнетрона относятся зависимости постоянных значений мощности и КПД ( , ), построенные в координатах . (рис. 6.7). Сплошные линии отображают зависимости для различных уровней выходной мощности (верхняя кривая соответствует большей мощности, соответственно 150, 100 и 50 Вт). Характеристики, изображенные штрихами, построены для различных значений КПД.

Рабочие характеристики используются для выбора оптимального рабочего режима магнетрона.

Следует также отметить, что рабочие характеристики измеряют в режиме согласованной нагрузки на выходе магнетрона.

6.2. Описание конструкции многорезонаторного магнетрона

В работе исследуется многорезонаторный магнетрон непрерывного режима малой мощности, часть конструкции которого показана на рис. 6.8. Резонаторная система лопаточного (секторного) типа образована полым медным цилиндром 1, в который впаяны радиальные пластины-лопатки 2, катод магнетрона 3 – оксидный, подогревный. Его основанием служит никелевый цилиндр, на который нанесено оксидное покрытие. Внутри катодного цилиндра располагается спираль подогревателя 4. Крепление катода осуществляется с помощью металлических держателей 5, которые одновременно являются проводниками тока накала подогревателя. Для предотвращения утечки высокочастотной энергии через цепь накала катода в конструкции накального ввода предусмотрен высокочастотный дроссель 6, который представляет со бой отрезок короткозамкнутой четвертьволновой линии. Вывод высокочастотной энергии 7 образован коаксиальной линией, центральный проводник которой заканчивается индуктивной петлей связи 8, расположенной в резонаторе магнетрона. Для обеспечения устойчивой генерации на -виде колебаний используются связки – тонкие проводники (обычно прямоугольного сечения), которые соединяют между собой лопатки резонатора через одну. Устройство связок магнетрона представлено на рис. 6.9. Для работы магнетрон М помещается между полюсными наконечниками П электромагнита (рис. 6.10), создающего однородное магнитное поле, силовые линии которого направлены вдоль оси магнетрона. Величина индукции магнитного поля регулируется изменением тока возбуждения соленоида С.

6.3. Описание измерительной установки

Принципиальная схема измерений представлена на рис. 6.11. Она включает в себя исследуемый магнетрон 1, регулируемый источник анодного напряжения 2, источник питания соленоида электромагнита 3, высокочастотный тракт 4, соединяющий магнетрон с измерителем мощности 5 и часто

томером 6. Подробное описание измерительных приборов и техники проведения измерений дается в отдельной лабораторной «Инструкции по включению установки и проведению измерений».

6.4. Программа работы и указания к ее выполнению

1. Ознакомиться с материалом теоретической части работы, описанием конструкции, макетом прибора и описанием измерительной установки.