Лабораторная работа №3

Вид материала

Лабораторная работа

Содержание 2 Принцип действия 3 Замедляющая система 4 Описание лабораторной установки 5 Указание мер безопасности 6 Проведение измерений 7 Указания к составлению отчета 8 Контрольные вопросы

Подобный материал:

• Методические указания к лабораторным работам Лабораторная работа, 357.24kb.
• Лабораторная работа №3 кпк лабораторная работа №3 Тема: карманный персональный компьютер, 173.34kb.
• Методические возможности стенда Особенности работы на стендах уилс-1 Ознакомительное, 1487.3kb.
• Лабораторная работа по курсу «Физические основы микроэлектроники», 136.21kb.
• Лабораторная работа, 166.92kb.
• Самостоятельная работа по учебным пособиям, 471.48kb.
• Конспект урока в 9 классе по теме: «Магний», 84.54kb.
• Лабораторная работа №1 Введение в Windows. Работа с окнами и приложениями в Windows, 67.41kb.
• Знакомство c Excel, 1212.51kb.
• Лабораторная работа, 105.21kb.

Лабораторная работа №3


ИЗУЧЕНИЕ ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ ТИПА – О (ЛОВО)


Цель работы: изучить физические принципы действия лампы обратной волны типа – О, ее устройство, параметры и характеристики.

Подготовка к работе: занести в рабочую тетрадь название и цель лабораторной работы, основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе на контрольные вопросы.


1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ


Лампа обратной волны (ЛОВ) является широкодиапазонным генератором СВЧ, обладающим электронной перестройкой частоты в пределах 50% и более.

Перестройка частоты генерируемых колебаний ЛОВ осуществляется изменением напряжения на замедляющей системе. Безинерционность перестройки частоты ЛОВ позволяет на их базе конструировать различные схемы автоматизированных измерений СВЧ, схемы радиозащиты и радиопомех.

Генерация в ЛОВ возникает в результате взаимодействия электронного потока с замедленной электромагнитной волной, распространяющейся с фазовой скоростью V_ф в направлении движения электронов.

Как во всяком генераторе, в ЛОВ необходимо выполнение трёх условий:

• наличие положительной обратной связи;
  
• баланс амплитуд;
  
• баланс фаз.
  

Используемый в ЛОВО принцип работы оказался очень эффективным для освоения огромного диапазона частот от 1 до 630ГГц. Рекламируемые ЛОВО работают на частотах от 1 до 350ГГц с минимальной выходной мощностью от 10мВт до 10Вт и на частотах 480 – 630ГГц с минимальной выходной мощностью 3мВт.


^ 2 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ


2.1 Конструкция

На рисунке 1 приведено схематическое изображение конструкции ЛОВ типа – О.


1 – электронная пушка; 2 – магнитная фокусирующая система; 3 – встречно-штыревая замедляющая система; 4 – коллектор; 5 – поглощающая нагрузка; 6 – вывод энергии; h – высота штыря; L – период замедляющей системы (ЗС); U₀ – ускоряющее напряжение, подаваемое на ЗС, определяет скорость электронов .


Рисунок 1 – Конструкция ЛОВ типа – О





2.2 Пространственные гармоники

При возбуждении волны в ЗС в ней возникает бесчисленное множество плоских монохроматических волн, так называемых пространственных гармоник, которые имеют одинаковую частоту ω и групповую скорость V_гр, но разные фазовые скорости V_фр и волновые числа β_р. Они возбуждаются одновременно и могут существовать только вместе, так как только при этом удовлетворяются граничные условия. Эти гармоники, суммируясь, образуют электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль оси Z:

, (1)

где β_р= β_о + 2πр/L (р=0, ±1, ±2, …);

Е_zp – продольная составляющая напряженности электрического поля р-й гармоники;

р – номер пространственной гармоники;

β_о – волновое число для основной гармоники, при р = 0;

L – период замедляющей системы.

Каждой пространственной гармонике соответствует своя фазовая скорость

, (2)

где φ₀= β_оL – фазовый сдвиг основной гармоники на период системы L;

– фазовая скорость основной пространственной гармоники.

Работа прибора на выбранной пространственнолй гармонике осуществляется обеспечением условия синхронизма .


Всем пространственным гармоникам соответствует одна и та же групповая скорость

(3)

Гармоники, для которых β_р>0, имеют фазовую скорость, одинаково направленную с групповой скоростью V_гр; эти гармоники получили название прямых пространственных гармоник (положительных).

Если β_р<0, то гармоника называется обратной (отрицательной), так как ее фазовая скорость направлена противоположно групповой скорости.


2.3 Дисперсия

В замедляющей системе, как и в любой линии передачи, фазовая и групповая скорости зависят от частоты. Эти зависимости называются дисперсионными характеристиками (ДХ) системы или дисперсией.

На практике удобно представлять ДХ в виде зависимости замедления от длины волны в свободном пространстве:

(4)

(5)

Следовательно, зная зависимость фазового угла от длины волны φ = φ(λ), можно легко построить ДХ для любой пространственной гармоники. ДХ позволяют определить полосу пропускания системы и зависимости фазовых скоростей пространственных гармоник от частоты, а следовательно, согласно принципу синхронизма, необходимые для работы прибора ускоряющие напряжения.


На рисунке 2 приведены типичные ДХ, построенные в координатах . Из графиков видно, что для всех пространственных гармоник групповая скорость одинакова.

Дисперсию называют нормальной, если абсолютное значение фазовой скорости уменьшается с ростом длинны волны, т.е.. При дисперсия фазовой скорости аномальная. Дисперсия отрицательных пространственных гармоник (р<0) (обратных) всегда аномальная, а положительных (р>0) (прямых) может быть аномальной и нормальной. Характер дисперсии нулевой гармоники (р=0) зависит от того, прямая она или обратная. Если нулевая гармоника обратная, то независимо от типа ЗС дисперсия аномальная.

Так как , то чем больше номер пространственной гармоники, тем меньше фазовая скорость. Максимальная скорость V_фр будет при р=0.

В приборах СВЧ ограничиваются взаимодействием электронного потока с полем пространственной гармоники при р=0, ±1, так как амплитуда поля низших гармоник максимальна.


2.4 Взаимодействие

Для пояснения принципа действия ЛОВ предположим, что со стороны коллектора в замедляющую систему (ЗС) ЛОВ введен СВЧ сигнал. Вдоль ЗС справа налево движется волна с групповой скоростью V_гр. Так как ЗС имеет периодическую структуру, то имеющееся в ней электромагнитное поле можно рассматривать как сумму бесконечного множества волн – пространственных гармоник с волновым числом β_р, зависящим от номера гармоники р. Фазовые скорости этих гармоник направлены как в сторону движения энергии (прямые гармоники), так и в противоположную сторону (обратные гармоники). В ЛОВ направление движения электронов совпадает с направлением фазовой скорости обратных пространственных гармоник.

Амплитуда поля пространственных гармоник резко уменьшается с увеличением номера гармоники, поэтому в ЛОВ используются обычно такие замедляющие системы, в которых обратная пространственная гармоника является основной гармоникой, либо минус первой. Пусть в ЛОВ электронный поток взаимодействует с полем минус первой пространственной гармоникой, фазовая скорость которой совпадает с направлением движения электронов и равна

(6)

Для эффективного взаимодействия электронного потока и бегущей волны необходимо выполнение условия синхронизма:

(7)

Электроны группируются в сгустки, которые расположены в области тормозящего поля, и отдают при торможении часть кинетической энергии электромагнитной волне. При этом энергия в ЗС в соответствии с направлением групповой скорости распространяется навстречу электронному потоку, т.е. от коллектора к

пушке, поэтому амплитуда поля обратной волны Е_zm возрастает в этом же направлении, а амплитуда конвекционного тока I_{m конв} в противоположном (рисунок 3), увеличивая друг друга. Это эквивалентно положительной обратной связи.


Рисунок 3 – Распределение амплитуд напряженности электрического поля и конвекционного тока вдоль замедляющей системы длиной ℓ при взаимодействии с прямой (а) и при взаимодействии с обратной волной (б)


Так как а условие синхронизма для р=-1

может быть записано:

(8)

где U₀ – ускоряющее напряжение.

Важной особенностью этого взаимодействия является внутренняя положительная обратная связь, которая и приводит к самовозбуждению лампы. Обратная связь создается электронным потоком, который движется от выхода к входу ЛОВ.

Вывод энергии необходимо располагать возле электронной пушки, а поглотитель – у коллектора. Поглотитель в ЛОВ необходим для предотвращения возбуждения на прямой гармонике, а также для устранения влияния отражений от нагрузки. Если ЛОВ на выходе плохо согласована с нагрузкой, то отраженная волна возвращается в пространство взаимодействия синхронизма и является нерегулируемой, паразитной.


^ 3 ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА


3.1 Требования, предъявляемые к ЗС

К замедляющим системам, которые используются в ЛОВ, предъявляется ряд различных требований. Наиболее характерны из них следующие:

1. замедляющая система должна иметь по возможности более широкую полосу пропускания;
   
2. в замедляющей системе обязательно наличие продольной компоненты электрического поля, совпадающей по направлению с электронным потоком. Величина этой компоненты оценивается сопротивлением связи, которое прямо пропорционально квадрату амплитуды продольной составляющей напряженности электрического поля и должно быть по возможности большим;
   
3. желательно, чтобы ЗС выдерживала достаточно большие тепловые нагрузки;
   
4. важным требованием является простота конструкции и изготовления, а также достаточная механическая прочность;
   
5. кроме того, к ЗС предъявляется ряд специальных требований, таких, например, как вибропрочность, ограничение габаритов, жесткость конструкции и др.
   

Все ЗС, независимо от конструкции (кроме систем с диэлектрическим заполнением), имеют одну характерную особенность: они периодичны в пространстве, по крайней мере, в продольном направлении, в связи с чем


ЗС всегда можно разбить на ряд совершенно одинаковых ячеек, поэтому ЗС называют также периодическими структурами.


3.2 Положительная обратная связь

С
V_гр
ущественной особенностью, присущей ЛОВ, является наличие в ней положительной обратной связи (ОС), направляющей часть выходной мощности на вход. Положительная ОС является следствием противоположного направления групповой V_гр и фазовой V_ф(-1) скоростей при условии совпадения направления скорости электронов V₀ и фазовой скорости V_ф(-1). Характерно, что положительная ОС осуществляется через электронный поток и действует на любом элементе длины. Поэтому цепь ОС можно рассматривать как распределенную, состоящую из очень большого числа цепей ОС, соответствующих каждому элементу длины, на котором происходит взаимодействие поля замедляющей системы и потока (рисунок 4).


3.3 ЛОВ-усилитель

Чтобы глубже понять работу ЛОВ-генератора, рассмотрим кратко особенности однокаскадного ЛОВ-усилителя.

В отличие от ЛБВ в ЛОВ-усилителе сигнал входит в ЗС у коллекторного конца, а выходит у пушечного. В зависимости от глубины обратной связи, определяемой величиной тока I₀, ЛОВ работает либо в режиме регенеративного усиления, либо в режиме генерации (рисунок 5).

Регенеративный усилитель – это усилитель, имеющий обратную связь. Усиление колебаний в ЛОВ имеет регенеративный характер, характеризующийся узкополосностью и нестабильностью, что является существенным недостатком усилительного режима.

Коэффициент усиления и полоса усиливаемых частот у регенеративных усилителей связаны соотношением:

К_у · ∆f = const (9)

и зависят от коэффициента обратной связи (в нашем случае, по существу, от тока I₀). С увеличением обратной связи усиление возрастает (см. рисунок 6), а полоса частот уменьшается.

В усилительном режиме ЛОВ узкополосна и не имеет других заметных преимуществ по сравнению с ЛБВ, не может конкурировать с последней, поэтому в усилительном режиме она не используется.

3.4 Амплитудное условие самовозбуждения

В ЛОВ, как и в любом автогенераторе, для возникновения колебаний должно выполняться амплитудное условие. Амплитудное условие самовозбуждения ЛОВ связано со значением постоянного тока электронного пучка I₀. Усиление колебаний в ЛОВ имеет место, пока ток пучка не превышает некоторого порогового значения, после которого начинается генерация. По мере увеличения тока I₀ коэффициент регенеративного усиления возрастает (см. рисунок 6) и достигает бесконечности при I = I_пуск, после чего ЛОВ возбуждается без подачи входного сигнала (Р_вх = 0), превращаясь в генератор. Пусковой ток I_пуск – это минимальный ток пучка I₀, при котором начинается устойчивая генерация. Выходная мощность, являющаяся мощностью генерации Р_ген в соответствии с рисунком 6, продолжает возрастать по мере увеличения тока I₀. При этом мощность возбуждаемых колебаний в ЛОВ превышает потери мощности в ЗС (условие баланса амплитуд):

Р = I₀ U₀ ≥ Р_ген+Р_пот , (10)

где Р – мощность, подводимая от источника питания;

Р_ген – выходная мощность ЛОВ;

Р_пот – потери мощности в ЗС.


3.5 Фазовое условие самовозбуждения

Фазовое условие самовозбуждения колебаний свяжем с условием наилучшей передачи энергии от электронного потока СВЧ полю. Это условие состоит в том, что образовавшийся сгусток электронов не должен выходить из тормозящего поля электромагнитной волны на длине замедляющей системы. Другими словами, необходимо, чтобы относительный сдвиг фаз ∆φ волны и сгустка не превышал π, т.е.

, (11)

где – сдвиг фаз, создаваемый волной обратной пространственной гармоники;

– сдвиг фаз, создаваемый электронным потоком.

Очевидно, что в общем случае ∆φ может быть равно нечетному числу π:

, n = 0,1,2,… (12)

Число n называют порядком колебаний в ЛОВ или номером зоны колебаний. Зона n = 0 является основной и имеет наибольшую мощность.


3.6 Электронная перестройка частоты

Воспользуемся выражением

, (13)

Имея в виду известное соотношение ω = 2πс/λ, уравнение (13) можно переписать так:

(14)

Подставляя в уравнение (14) значение получим:

. (15)

Для n = 0 .

Формула (15) указывает на весьма важное свойство ЛОВ, а именно – возможность электронной перестройки частоты. В самом деле, изменяя напряжение U₀, мы можем изменять в широких пределах значение λ.

На обратных волнах всегда имеет место сильная дисперсия (рисунок 7). Поэтому перестройка частоты генерации ЛОВ связана с изменением ускоряющего напряжения (рисунок 8).


Такая перестройка носит название электронной перестройки частоты. Частотная характеристика в ЛОВ является нелинейной. Закон изменения частоты обусловлен дисперсией ЗС. Ширина рабочего диапазона электронной перестройки частоты ЛОВ – генератора определяется характеристиками ЗС. ЛОВ имеют коэффициент перекрытия диапазона частот:

. (16)

Для описания зависимости частоты от напряжения удобно пользоваться понятием крутизны электронной перестройки частоты:

(17)

Для ЛОВ сантиметрового диапазона длин волн крутизна не больше нескольких мегагерц на вольт, а для миллиметрового – десятки мегагерц на вольт.


3.7 Выходная мощность

Рассмотрим характер изменения выходной мощности в диапазоне перестройки. Ток электронного пучка I₀ при изменении напряжения на ЗС от минимального до максимального значения изменяется не более чем на 10-15%. Поэтому сначала Р_вых растет (рисунок 9, кривая 1), так как увеличивается подводимая в ЛОВ мощность постоянного тока Р₀ = I₀U₀, а затем в режиме насыщения (рисунок 6) рост Р_вых замедляется и возможно даже ее уменьшение. Кривая выходной мощности весьма изрезана вследствие отражений от выходного устройства, т.к. оно более узкополосно чем ЗС и недостаточно хорошо согласовано с ним в диапазоне ∆ λ (рисунок 9, кривая 2).


3.8 Электронный коэффициент полезного действия

Как и все пространственные гармоники, минус первая имеет максимальное значение взаимодействующей с электронным потоком компоненты электрического СВЧ поля Е_z на поверхности ЗС. По мере удаления от поверхности значение Е_z быстро спадает так, что в области, занятой электронным пучком, Е_z невелика. Поэтому, а также вследствие того, что пучок достигает максимальной модуляции по плотности в области минимального СВЧ поля (см. рисунок 3, б), для ЛОВ типа О характерен малый КПД.

На рисунке 10 приведена зависимость КПД ЛОВ от отношения рабочего тока I₀ к пусковому I_пуск. При увеличении рабочего тока увеличиваются входная мощность и соответственно КПД. Максимальное значение КПД получается при

отношении I₀/I_пуск = 3–5. Затем при увеличении рабочего тока КПД и выходная мощность уменьшаются из-за расплывания сгустков вследствии действия расталкивающих кулоновских сил.

Электронный коэффициент полезного действия ЛОВ типа О не превышает нескольких процентов. Режим наибольшего КПД достигается при выполнении условия I ₀ ≥ (5–6)I_пуск. Величина электронного КПД определяется простым соотношением:


(18)


^ 4 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Изучение работы ЛОВ проводится с помощью панорамного измерителя КСВН XI-28, в состав которого входит лампа обратной волны ОВ-3, индикаторного блока РК2-28, вольтметра универсального В7-16 и ваттметра МЗ-28.


^ 5 УКАЗАНИЕ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ

ВНИМАНИЕ!

При подготовке рабочего места и выполнении работы необходимо руководствоваться правилами, изложенными в ”Инструкции по технике безопасности для студентов при работе в учебной лаборатории”.

Изучить раздел “Указание мер безопасности” в “Техническом описании и инструкции по эксплуатации” к каждому прибору, входящему в установку, и руководствоваться им при работе.


^ 6 ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

1. ознакомиться с приборами по “Техническому описанию и инструкциям по эксплуатации”. Включить приборы в сеть и подготовить их к работе , согласно инструкциям;
   
2. ВНИМАНИЕ! Включение и выключение моста термисторного Я2М-64 ваттметра МЗ-28 производить только при установке переключателя ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ в положении ВЫКЛ.;
   
3. для проведения измерений включить тумблером СЕТЬ питание ваттметра (убедившись, что переключатель ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЯ в положении ВЫКЛ.). Время прогревания термисторной головки ваттметра 40 – 50мин. Включить тумблером СЕТЬ приборы XI-28, РК2-28 и вольтметр. Поставить переключатель СВИП на блоке генератора XI-28 в положение РУЧНАЯ;
   
4. меняя напряжение на замедляющей системе ЛОВ, измерить зависимости частоты генерации и выходной мощности от ускоряющего напряжения, изменяя его в пределах от 200В до 500В;
   
5. построить график зависимости: Р_ген=F(U₀); f=F(U₀);
   
6. построить график зависимости Р_ген = F(f).
   

^ 7 УКАЗАНИЯ К СОСТАВЛЕНИЮ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать:

– все пункты задания;

– результаты работы, представленные в виде таблиц и графиков;

– выводы по работе и оценку полученных результатов.


^ 8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

– Устройство и принцип работы ЛОВ типа О.

– Какие типы ЗС используются в ЛОВ типа О?

– Что такое пусковой ток в ЛОВ?

– Чем отличается ЛОВ от ЛБВ?

– Как возникают пространственные гармоники?

– На какой гармонике происходит взаимодействие в ЛОВ?

– Как реализуется электронная перестройка в ЛОВ?

– Как осуществляется положительная обратная связь?

– Принцип электронной перестройки.

– Где применяются ЛОВ?

– Принцип работы измерительных приборов, входящих в установку.


ЛИТЕРАТУРА

1. Пирс Дж. Электроны, волны, сообщения. – М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1961. – 347с.
   
2. Палатов К.И. Приборы СВЧ. – М.: Знание, 1966. – 48с.
   
3. Жуков Б.С., Перегонов С.А. Лампы бегущей волны. – М.: Сов. радио, 1967. – 46с.
   
4. Мощные электровакуумные приборы СВЧ / Под ред. Л. Клэмпитта; Пер. с англ. М.: Мир, 1974. – 134с.
   
5. Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т. II, Электровакуумные приборы СВЧ / Под ред. Н.Д. Девяткова: Учеб. для вузов по спец. «Электронные приборы». М.: Высш. шк. 1964 (первое издание), 616с.; 1970 (второе издание). – 376с.
   
6. Федоров Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы: Учебник для вузов. М.: Атомиздат, 1979. – 288с.
   
7. Электронная техника. Юбилейный научно-технический сборник. Серия «Электронные и квантовые приборы» / Под ред. Н.Д. Девяткова. М.: Изд-во ЦНИИ ТЭИНИ, 1967. – 300с.
   
8. Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы: характеристики, применение, тенденции развития. М.: Радио и связь, 1981. – 272с.
   
9. Коваленко В.Ф. Введение в электронику сверхвысоких частот. М.: Сов. радио, 1955. – 344с.
   
10. Кацман Ю.А. Приборы сверхвысоких частот. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов. Том II. Учеб. для вузов. М.: Высш. шк. 1973. – 384с.
    
11. Савельев В.Я. Электронные и квантовые приборы СВЧ. Конспект лекций. Учеб. пособие для студентов радиотех. спец. Минск: изд-во Минск. радионех. ин-та, 1975. – 207с.
    

12. Андрушко Л.М., Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ: Учеб. для вузов связи. М.: Радио и связь, 1981. – 208с.
    
13. Пчельников Ю.Н., Свиридов В.Т. Электроника сверхвысоких частот. М.: Радио и связь, 1981. – 96с.