ĆWICZENIE 6

ĆWICZENIE 6
GENERATOR DRGAŃ MIKROFALOWYCH
POMIAR STREF GENERACJI GENERATORA MIKROFALOWEGO
PROTOKÓŁ POMIAROWY
I. PRZYRZĄDY
1...............................................................
2...............................................................
3...............................................................
4...............................................................
WYKONAWCY
1.........................................
2.........................................
3.........................................
4.........................................
II POMIARY
Pomiar stref generacji generatora dla napięć zasilających:
Napięcie żarzenia 6,3V
Napięcie anodowe U01=................... V  *
Napięcie anodowe U02=................... V  *
Odległość między anteną nadawczą i odbiorczą....... m*
Napięcie na reflektorze UR= 0 do 100 V 
*- zaznaczone parametry zostaną podane przez prowadzącego ćwiczenia.
Pomiar stref generacji dla napięcia anodowego U01=................... V 
odległość anteny odbiorczej i nadawczej ................... m
Tabele pomiarowe.
I strefa generacji
URp V 
UR2 V 
URmax V 
UR4 V 
URk V 
Napięcie na
reflektorze
UR V 
Napięcie na
odbiorniku
Uodb mV 
gdzie: URp - napięcie na reflektorze przy którym następuje wzbudzenie drgań;
UR2 - napięcie na reflektorze pomiędzy URp a URmax;
URmax - napięcie na reflektorze przy którym amplituda drgań jest największa;
UR4 - napięcie na reflektorze pomiędzy URmax a URk;
URk - napięcie na reflektorze przy którym następuje zanik drgań;
II strefa generacji
URp V 
Napięcie na
reflektorze
UR V 
Napięcie na
odbiorniku
Uodb mV 
UR2 V 
URmax V 
UR4 V 
URk V 
Zmieniając napięcie na reflektorze w granicach od 0 do 100V znaleźć wszystkie strefy
generacji i dla każdej strefy wyniki wpisać do kolejnych tabel.
Pomiar stref generacji dla napięcia anodowego U02=........ V 
odległość anteny odbiorczej i nadawczej ................... m
Tabele pomiarowe.
I strefa generacji
URp V 
UR2 V 
URmax V 
UR4 V 
URk V 
Napięcie na
reflektorze
UR V 
Napięcie na
odbiorniku
Uodb mV 
gdzie: URp - napięcie na reflektorze przy którym następuje wzbudzenie drgań;
UR2 - napięcie na reflektorze pomiędzy URp a URmax;
URmax - napięcie na reflektorze przy którym amplituda drgań jest największa;
UR4 - napięcie na reflektorze pomiędzy URmax a URk;
URk - napięcie na reflektorze przy którym następuje zanik drgań;
II strefa generacji
URp V 
Napięcie na
reflektorze
UR V 
Napięcie na
odbiorniku
Uodb mV 
UR2 V 
URmax V 
UR4 V 
URk V 
Zmieniając napięcie na reflektorze w granicach od 0 do 100V znaleźć wszystkie strefy
generacji i dla każdej strefy wyniki wpisać do kolejnych tabel.
III POLECENIA DO WYKONANIA W SPRAWOZDANIU
1.Przedstawić strefy generacji dla różnych napięć anodowych U01 i U02 na
wspólnym wykresie Uodb(UR) używając różnych kolorów;
2. W oparciu o zasadę funkcjonowania generatora i stosownych wzorów
wyjaśnij przesunięcie stref we współrzędnej poziomej i pionowej.
3. Na podstawie wyników pomiaru przeprowadź analizę wzoru określający kąt
przelotu dla określonych napięć.
Θopt=  2  n 

  8  fs
U0

2
2q U 0  U R
U0
v
4. Opracować odpowiedzi na pytania zadane przez prowadzącego
IV ZAKRES WIEDZY
Przed przystąpieniem do ćwiczenia student(ka) powinien posiadać wiedzę
niezbędną do odpowiedzi na następujące pytania:
1. Generatory drgań mikrofalowych można zbudować wykorzystując:
diody z ujemną rezystancję różniczkową, tranzystory, lampy mikrofalowe.
Opisz zasadę funkcjonowania generatora wskazanego przez prowadzącego.
Podczas opisu zasady funkcjonowania omów:
- jakie napięcia zasilania podawane są na generator:
- przedstaw gdzie i jakie występują pola elektryczne i magnetyczne;
- omów zasadę działania rezonatora występującego w omawianym
generatorze, który decyduje o częstotliwości generowanej przez
generator;
- omów w którym miejscu odbywa się współdziałanie wiązki elektronów z
polem wcz;
- co to jest sprawność elektronowa.
V LITERATURA
Klistron refleksowy.
Przeznaczony jest do generacji małych mocy w zakresie mikrofal.
Schemat klistronu refleksowego oraz rozkład stałego potencjału osi lampy.
(1 – katoda , 2 – siatka , 3 – anoda (rezonator) , 4 – reflektor )
Wykres przestrzenno czasowy ruchu elektronów w klistronie refleksowym.
Na osi rzędnej odłożono położenie elektronu wzdłuż osi Z od osi Sz rezonatora. Na osi
odciętych czas.
Niezaburzone elektrony 1-3-5 które weszły do rezonatora w momencie kiedy
pole Wcz było równe zero maja jednakową głębokość wnikania w pole hamujące i
jednakowy kąt przelotu .
Elektrony 2-6 przechodzą przez rezonator w polu przyspieszającym – głębiej
wnikają, ich droga w polu grupowania jest dłuższa.
Elektrony 4-7 przechodzą przez rezonator w polu hamującym – zmniejszają
swoją prędkość, wnikają na mniejszą głębokość. Droga ich jest krótka i czas przelotu
mniejszy.
W klistronie refleksowym jeden rezonator spełnia dwie funkcje jednocześnie:
rezonatora modulującego i czerpiącego.
Zasada pracy
Strumień elektronów emitowany z katody (1) zostaje przyspieszony przez
anode (3) do prędkości Vo.
Elektron przechodząc po raz pierwszy przez siatki S1 ,S2 rezonatora jest
modulowany w prędkości. W obszarze S2 – reflektor (4) jest hamowany i zwracany,
ponieważ w reflektorze jest duży potencjał ujemny.
Obszar rezonator – reflektor nazywa się obszarem grupowania elektronów. W
drodze powrotnej do reflektora strumień elektronów jest przyspieszany i ponownie
przechodzi przez siatki S1, S2 rezonatora przekazując energię elektronów polu wielkiej
częstotliwości. Przy drugim przejściu strumienia w kierunku przeciwnym osi Z
rezonator pełni funkcje rezonatora czerpiącego. Po oddaniu energii elektrony osiadają
na anodzie, tworząc prąd anodowy.
Zgrupowany strumień elektronów może powrócić między siatki S1, S2
rezonatora w czasie półokresu pola hamującego. Wtedy grupy elektronów będą mogły
oddać energie polu elektrycznemu rezonatora i tym samym podtrzymać drgania
wielkiej częstotliwości w rezonatorze.
Należy mieć na uwadze, że półokres pola między siatkami S1, S2 rezonatora,
przyspieszający dla elektronów poruszających się od katody, będzie jednocześnie
hamujący dla elektronów powracających do rezonatora pod wpływem odpychającego
napięcia reflektora.
Największa energię oddają te elektrony, które powracają w momencie
maksymalnego pola hamującego zatem optymalny kąt przelotu 0 opt elektronu
centralnego będzie
0 opt = 7/2 
Przekazanie mocy ze strumienia elektronów do rezonatora maleje jeżeli
0  0 opt
i spada do zera dla
0 = 0 opt +/- /2
Przy zwiększaniu lub zmniejszaniu kąta przelotu o 2, elektron centralny
również wpadnie w maksimum pola hamującego.
Ogólna zależność dla optymalnego kąta przelotu wyraża się następująco:
0 opt = (2n - /2)
gdzie n = 1,2,3... liczba całkowita zwana „rzędem” drgań klistronu albo
„numerem” strefy generacji.
Moc PE przekazywana przez zgrupowany strumień elektronów do rezonatora
zależy od kata przelotu i ma charakter strefowy.
W klistronie refleksowym kąt przelotu zmienia się przez zmianę napięcia na
reflektorze.
Prędkość elektronów przy wyjściu z rezonatora określa równanie modulacji
prędkości:
V  V0 (1  M
2U
sin t1 )  V0  V1 sin t1
U0
gdzie
V1  MV0
2U
U0
M 
sin


2
  
2
ω=2πf, f – częstotliwość rezonansowa rezonatora
τ – czas przelotu elektronów między siatkami S1 i S2 rezonatora
Parametr M zwany współczynnikiem sprzężenia między strumieniem
elektronów a rezonatorem.
 - kąt przelotu elektronów przez obszar modulacji (siatki S1, S2),
Na rys. przedstawiono zależność współczynnika sprzężenia od kąta przelotu.
Zmniejszenie  przy zbliżeniu siatek jest niecelowe ponieważ zwiększa się wówczas
pojemność rezonatora i obniża się jego równoważna oporność.
Typowe wartości kąta przelotu leżą w przedziale od /2 do .
t1 – czas przejścia przez środek między siatkami S1, S2 rezonatora w drodze
do reflektora,
Elektron z prędkością V wpada w obszar między siatką S2 i reflektorem, gdzie
działa na niego hamujące pole elektryczne E o wartości:
E
U0 U R
S
U0 –napięcie przyspieszające,
UR<0 – ujemne względem katody napięcie reflektora,
S – odległość między S2 rezonatora i reflektorem,
Pod działaniem pola E elektron porusza się ruchem jednostajnie opóźnionym
m
d 2z
 eE
dt 2
Całkując odwrotnie i podstawiając warunki początkowe
dz
V
dt
t  t1
otrzymamy
Z 
eE
(t  t1 ) 2  V (t  t1 )
2m
gdzie
V- prędkość elektronów w płaszczyźnie siatki S2 określonej wyrażeniem 30.
Czas przelotu elektronów w obszarze grupowania można znaleźć z warunku
z=0 i t=t2
t2 – czas przelotu elektronu do płaszczyzny siatki S2,
Z analizy zależności na prędkość otrzymujemy dwa rozwiązania.
t2  t1  0
eE
(t 2  t1 )  V  0
2m
Pierwsze t2 – t1 nie ma sensu.
Drugie równanie pozwala obliczyć czas przelotu elektronu
  t 2  t1 
2mV
eE
Podstawiając do (35) wartość E z (31) otrzymamy

2m
sV
e (U 0  U R )
Ponieważ prędkość elektronu centralnego znajdującego się w środku grupy
nie zmienia się przy pierwszym przejściu rezonatora, to zamiast V można do (36)
podstawić V0 i otrzymamy:
U0

8fs
)
2
U U R
2e
U0 0
v
 opt  (2n 
f – częstość drgań generowanych,
Mając f, s, U0 możemy określić szereg wartości UR koniecznych dla
otrzymania optymalnych kątów przelotu odpowiadającym różnym n – strefom
generacji.
Ze wzrostem n maleje /UR/
Obliczmy różnice faz wylotu elektronów i jego powrotu do środka między
siatkami S1 S2 na podstawi (35) (31).
t 2  t1  
2m VS
e U0 U R
Podstawiając do (38) wartość V z (30) otrzymamy:
t 2  t1  
2m
s
2m sV0
2m sV1
(V0  V1 sin t1 ) 

sin t1
e U0 U R
e U0 U R
e U 0  U1
o
kąt
przelotu
X
parametr
grupowania
t2  t1  0  x sin t1
Parametr grupowania X z uwzględnieniem V1 z (30) określony jest wzorem:
X
2m sV1
U
 M 0
e U0 U R
2U 0
Wyrażenie (40) jest analogiczne do (14) uzyskanego dla klistronu
dwurezonatorowego, różni się znakiem prze dostatnim członem. Różnica w znaku
wynika stąd, że grupowanie następuje wokół elektronu przesuniętego w fazie o pół
okresu w stosunku do elektronu centralnego klistronu dwurezonatorowego.
Moc/ sprawność klistronu refleksowego.
Maksymalna moc oddawana przez strumień elektronowy, przy warunku
optymalnego kąta przelotu elektronu centralnego
P  MI 0UJ1 ( x) sin  0
Z wyrażenia (41)
U
X
2U 0
M 0
Podstawiając (43) do (42) otrzymamy wyrażenie na moc elektronową
przekazywaną do rezonatora w warunkach optymalnego kąta przelotu (sin  = -1).
P  I 0U 0
2 XJ1 ( x)

2n 
2
Sprawność elektronowa
I 0U 0
e 
P

P0
2 XJ1 ( x)

2 n 
2  2 XJ1 ( x)

I 2U 0
2 n 
2
Powyższe wyrażenie daje duży błąd przy niskich strefach generacji n = 1,2
ponieważ wyrażenie (45) osiąga maksimum dla
J1(x) = 1,252
Co odpowiada optymalnej wartości parametru grupowania
Xopt = 2,4
Dla tak dużej wartości Xopt nie jest spełniony, założony wcześniej warunek
małych amplitud pola zmiennego U/U0  1.
W tabeli 1 przedstawiono maksymalne wartości sprawności dla różnych stref
generacji. W rzeczywistych klistronach ze względu na straty własne rezonatora,
klistron refleksowy wzbudza się dopiero przy wyższych strefach (n = 2,3) generacji.
Uzyskiwane w praktyce sprawności klistronów są niewielkie od kilku
procentów w paśmie fal DCM do ułamków % w paśmie milimetrowym.
Zależności mocy i częstotliwości drgań od napięcia reflektora.
n
(U/U0)
opt
-
1
1
2
0,43
3
0,27
4
0,20
5
0,16
6
0,13
7
0,11
0
%
50
23
14
11
8
7
6