Скачать 149.66 Kb.
|
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 Vф в направлении движения электронов. Как во всяком генераторе, в ЛОВ необходимо выполнение трёх условий:
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 Vгр, но разные фазовые скорости Vфр и волновые числа βр. 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 βр= βо + 2πр/L (р=0, ±1, ±2, …); Еzp – продольная составляющая напряженности электрического поля р-й гармоники; р – номер пространственной гармоники; βо – волновое число для основной гармоники, при р = 0; L – период замедляющей системы. Каждой пространственной гармонике соответствует своя фазовая скорость , (2) где φ0= βоL – 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 βр>0, имеют фазовую скорость, одинаково направленную с групповой скоростью Vгр; эти гармоники получили название прямых пространственных гармоник (положительных). Если βр<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 Vфр 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 Vгр. Так как ЗС имеет периодическую структуру, то имеющееся в ней электромагнитное поле можно рассматривать как сумму бесконечного множества волн – пространственных гармоник с волновым числом βр, 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 Еzm возрастает в этом же направлении, а амплитуда конвекционного тока Im 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:
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 Vгр 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 Vгр и фазовой Vф(-1) скоростей при условии совпадения направления скорости электронов V0 и фазовой скорости Vф(-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: Ку · ∆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 = Iпуск, после чего ЛОВ возбуждается без подачи входного сигнала (Рвх = 0), превращаясь в генератор. Пусковой ток Iпуск – это минимальный ток пучка I0, при котором начинается устойчивая генерация. Выходная мощность, являющаяся мощностью генерации Рген 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 ≥ Рген+Рпот , (10) где Р – мощность, подводимая от источника питания; Рген – выходная мощность ЛОВ; Рпот – 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 Рвых растет (рисунок 9, кривая 1), так как увеличивается подводимая в ЛОВ мощность постоянного тока Р0 = I0U0, а затем в режиме насыщения (рисунок 6) рост Рвых 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 Еz на поверхности ЗС. По мере удаления от поверхности значение Еz быстро спадает так, что в области, занятой электронным пучком, Еz 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 Iпуск. При увеличении рабочего тока увеличиваются входная мощность и соответственно КПД. Максимальное значение КПД получается при отношении I0/Iпуск = 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)Iпуск. 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
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
|