АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

Кафедра радиотехники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ И

КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ

 

Методические указания к выполнению

лабораторных работ

(для студентов всех форм обучения специальностей 380340 – Радиотехника, 380540 – Радиосвязь, радиовещание и телевидение, 380740- Системы

и  средства подвижной связи, 380940 – Радиосвязь и радионавигация)

 

            

 

 

 
Алматы 2004

 

СОСТАВИТЕЛЬ: Хачикян В.С. Электронные приборы сверхвысоких частот и квантовые приборы. Методические указания к выполнению лабораторных работ (для студентов всех форм обучения специальностей 380340 – Радиотехника, 380540 – Радиосвязь, радиовещание и телевидение, 380740 - Системы и  средства подвижной связи, 380940 – Радиосвязь и радионавигация). - Алматы: АИЭС, 2004. -  25  с.

 

 

         Методические указания содержат материалы по подготовке к проведению лабораторных работ, в них приведены описания каждой лабораторной работы, экспериментальных установок, дана методика проведения и обработки опытных данных, перечень рекомендуемой литературы и контрольные вопросы.

          Все лабораторные работы составлены с использованием элементов НИРС.

           Методические указания предназначены для студентов, обучающихся  по специальностям 380340 – Радиотехника, 380540 – Радиосвязь, радиовещание и телевидение, 380740 - Системы и  средства подвижной связи, 380940 – Радиосвязь и радионавигация.

          Табл. 4, ил. 10, библиогр. -  19 назв.

 

 

          Рецензент: канд.тех.наук, проф. В.Л.Гончаров.

 

 

 

 

 

 

 

         Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2004 г. 

 

 

 

 

                                   ã  Алматинский институт энергетики и связи, 2004 г.

Лабораторная работа №1

 

Исследование магнетронного генератора

 

1.1 Цель работы

 

Изучение принципиальной схемы, конструкции и физических процессов, происходящих в магнетронном генераторе. Исследование энергетических и частотных характеристик магнетрона постоянного генерирования. Приобретение навыков в исследовании СВЧ приборов магнетронного типа.

 

1.2 Описание лабораторной установки

 

Магнетронный СВЧ генератор изготовлен на базе портативного аппарата «Луч-2». Лабораторная установка состоит из четырех основных блоков: Магнетронный СВЧ генератор, в состав которого входит блок питания, магнетронного генератора; встроен ваттметр и микроамперметр для измерения мощности и тока, реле времени; измерительная линия Р1-3 с микроамперметром; поглощающая нагрузка.

 

1.3 Рабочее задание

 

1.3.1 Изучить устройство и принцип действия магнетрона

1.3.2 Изучить описание работы и инструкции по эксплуатации приборов Собрать лабораторную установку согласно рисунку 1.

 

1– магнетронный генератор,

2 – измерительная линия Р1-3, 3 – поглощающая нагрузка,

4 – микроамперметр, подключенный к измерительной линии

Рисунок 1 - Схема лабораторной установки

 

1.3.3 Рассчитать и построить зависимость выходной мощности магнетрона от анодного напряжения .

,                                        

         где – к.п.д. магнетрона (таблица 1.1);

       Еа – анодное напряжение, значения которого приведены в таблице 1.2.

,                                

где c – скорость света, 3*108 м/с;

                m – масса электрона, 9,1*10-31 кг;

                е – заряд электрона, 1,6*10-19 Кл;

                n – номер зоны генерации;

                К1, К2, К3, К4  - коэффициенты, значения которых приведены в таблице 1.1;

                Rэ –эквивалентное сопротивление резонатора с учетом всех потерь,

,                                               

где  – волновое сопротивление колебательной системы;

                 Q – добротность нагруженного резонатора.

 

Таблица 1.1

Наименование

Вариант 1

Вариант 2

Вариант 3

Коэффициент К1

6,01

4,09

2,05

Коэффициент К2

0,87

0,86

0,605

Коэффициент К3

65,14

45,79

32,57

Коэффициент К4

0,2

0,258

0,39

Добротность нагруженного резонатора, Q

120

120

120

Волновое сопротивление,

6,5

6,5

6,5

Номер зоны генерации, n

4

6

8

 – к.п.д. магнетрона,

0,9

0,9

0,9

 

1.3.4 Снять вольтамперную характеристику магнетрона . Значения ЕА выставляются ступенчато переключателем «Напряжение». Каждому положению переключателя соответствует определенное значение анодного напряжения, которое указано в таблице 1.2.

 

Таблица 1.2

Положение переключателя

1

2

3

4

5

6

7

Анодное напряжение, В

930

950

956

960

963

967

970

 

Значение анодного тока Ia0 снять с вынесенного на корпус генератора микроамперметра, при этом расположенный справа от микроамперметра тумблер должен находиться в положении «Сеть».

1.3.5 Снять зависимость выходной мощности от анодного напряжения магнетрона . Значения анодного напряжения выставляются ступенчато переключателем «Мощность» в соответствии с таблицей 1.2. Измерение мощности произвести на встроенном ваттметре, тумблер должен находиться в положении «Мощность». При Pвых>10 Вт рекомендуется работать минимальное время.

 

1.3.6 Снять зависимость выходной мощности магнетрона от анодного тока . Значения анодного тока выставляются ступенчато переключателем «Напряжение» в соответствии со снятыми данными в пункте 1.3.4. Измерение мощности произвести по встроенному ваттметру.

 

1.3.7 Построить зависимость к.п.д. магнетрона от анодного тока, на основании результатов, снятых в пп.1.3.4, 1.3.5 рабочего задания и таблицы 1.2, построить зависимость  ,

где    ;    .

 

1.3.8 Снять экспериментальную характеристику электронного смещения частоты .

Настройку измерительной линии проводите таким образом, чтобы показание микроамперметра было максимальным. Передвигая зонд вдоль линии, определите длину волны, как удвоенное расстояние между двумя максимумами (минимумами) поля.

Вычислите частоту СВЧ колебаний по формуле

,                                       

где c – скорость света (м/с);

               – критическая длина волны в волноводе, равная 0.3 м.

Значение тока на аноде Ia0 выставляется ступенчато переключателем «Напряжение» в соответствии со снятыми данными в пункте 1.3.4.

 

1.4 Результаты работы

 

В отчете представить блок-схемы проведенных измерений, графики и таблицы снятых и рассчитанных частотных и энергетических зависимос­тей магнетрона. В выводах по работе сопоставить экспериментально снятые зависимости с теоретическими.

 

1.5 Контрольные вопросы

 

1.5.1 Каков принцип работы и особенности лабораторного макета?

1.5.2 Какова траектория движения электрона, движущегося под различными углами к силовым линиям электрического поля?

1.5.3 Какие факторы влияют на траектории электрона, движущегося в стационарном магнитном поле?

1.5.4 Какова траектория электрона в плоском диоде, помещенном в магнитное поле?

1.5.5 Каковы конструктивные особенности многорезонаторных магнетронов?

1.5.6 Какие факторы определяют высокий к.п.д. магнетронов?

1.5.7 Каковы причины ограничения выходной мощности магнетронов?

1.5.8 Какие отличительные особенности магнетронов непрерывного и импульсного действия?

1.5.9 Каков механизм электронного смещения частоты магнетрона?

1.5.10 Каковы пути повышения стабильности частоты магнетрона?

1.5.11 Какие факторы ограничивают предельные рабочие частоты магнетрона?

1.5.12 Каковы основные достоинства и недостатки магнетронов?

 

 

 

Лабораторная работа №2

 

Исследование диода Ганна

 

2.1 Цель работы

 

Изучение принципа действия диода Ганна, исследование основных характеристик генератора на диоде Ганна, измерение основных параметров генератора.

 

2.2 Описание лабораторной установки

 

Установка для исследования основных характеристик диода Ганна и генератора на его основе состоит из генератора СВЧ колебаний на диоде Ганна, стабилизированного источника питания, обеспечивающего регулируемое напряжение  в пределах от 0 до 9В, при нагрузке до 50 мА, измерительной волноводной линии Р1-28, ваттметра поглощаемой мощности с термоэлектрическим преобразователем М3-51. Диод Ганна расположен в диодной камере волновода, размерами 23х10 мм, который одновременно выполняет функции теплоотвода. На лицевой панели источника питания расположены миллиамперметр и вольтметр. С помощью измерительной волноводной линии производится измерение частоты колебаний.

 

2.3 Домашняя подготовка

 

2.3.1 Изучить принцип работы диода Ганна и его основные характеристики

2.3.2 Ознакомиться с описанием работы, инструкцией по эксплуатации приборов

2.3.3 Продумать порядок выполнения работы, подготовить бланк отчета с блок-схемами проводимых измерений и таблицами для записи результатов

 

2.4 Рабочее задание

 

2.4.1 Собрать лабораторную установку согласно рисунку 2

 

 

 

 

1 – источник питания; 2 – генератор на диоде Ганна;

3 – измерительная линия Р1-28; 4 – микроамперметр;

5 – короткозамкнутая подвижная нагрузка

Рисунок 2 - Схема лабораторной установки

 

2.4.2 Исследование вольтамперной характеристики диода Ганна

Регулятор напряжения на панели прибора вывести в крайнее левое положение. Включить тумблером «Сеть» блок питания. Увеличивая напряжение диода от 0 до 9В с шагом 0,5В фиксируйте по показаниям миллиамперметра силу тока в цепи. Проводить аналогичные измерения, изменяя напряжение от 9 до 0В.

По результатам экспериментальных данных построить графики вольтамперных характеристик.

По снятой характеристике установить параметры рабочего режима, т.е., Uраб, Iраб, при которых будет обеспечиваться пролетный режим диода.

 

2.4.3 Изучение зависимости частоты колебаний генератора от питающего напряжения

Ручкой регулятора напряжения установить на диоде рабочее напряжение. Проводите настройку измерительной линии таким образом, чтобы показания микроамперметра были максимальными. Передвигая зонд вдоль линии, определите длину волны, как удвоенное расстояние между двумя минимумами поля. Вычислите частоту СВЧ колебаний по формуле

,                                    

где с  скорость света (м/с),

        критическая длина волны в волноводе, равная 0,046 м.

Измеряя питающее напряжение в пределах рабочего участка вольтамперной характеристики с шагом 0,5В построить зависимость  частоты f генерирующих колебаний от питающего напряжения.

 

2.4.4     Исследование зависимости выходной мощности генератора от питающего напряжения

Подключите вместо короткозамкнутой нагрузки ваттметр поглощаемой мощности М3-51. Изменяя напряжение от 0 до 9В   с шагом 0,5 В снимите показания ваттметра.

На основании полученных результатов построить графики зависимостей P = P(Uпит), и fг = f(Uпит).

Определите модуляционную чувствительность М генератора на диоде Ганна, пользуясь следующим соотношением:

,                                          

где  f – изменение частоты генерируемых колебаний при изменении питания на величину Uпит.

 

2.5 Расчетное задание

 

2.5.1 Рассчитать зависимость дрейфовой скорости от напряженности электрического поля для двухдолинного полупроводника

Для двухдолинного полупроводника усредненную по всем электронным дрейфовую скорость можно записать

,                                       (2.1)

где ,  ,

         Ео – напряжение поля, при котором концентрация электронов в нижней и верхней долинах равны  n1=n2;

        - подвижность электронов в нижней долине;

        - подвижность электронов в верхней долине;

         к – константа.

Исходными данными для расчета зависимости  U(Е) по формуле (2.1) для диода Ганна из арсенида галлия являются:

 = 8000 см2.с;  Ео = 4000 В/см;  к=4;  В=0,05.

Значение напряженности поля изменяется шагом 1000 В/см от 0 до 10000 В/см. По результатам расчета построить график  U(Е).

 

2.5.2 Используя зависимость дрейфовой скорости от напряженности поля определить пролетную частоту диода

Частота колебаний, определяемая временем прохождения доменов расстояния от катода до анода

,                                                                                                 (2.2)

где  L – эффективная длина пробега домена с момента его формирования до момента зарождения нового домена, равная 1,1.10-5 м;

 – скорость движения домена, определяемая из графика зависимости  U(Е) на точке перегиба кривой.

 

2.6 Содержание отчета

 

2.6.1 Цель работы

2.6.2 Структурная схема исследования генератора на диоде Ганна

2.6.3 Графики вольтамперных характеристик и параметры рабочего режима исследованного диода Ганна

2.6.4 Графики зависимостей мощности и частоты генерируемых колебаний от величины питающего напряжения

2.6.5 Результаты определения модуляционной чувствительности генератора на диоде Ганна

2.6.6 График зависимости дрейфовой скорости от напряженности электрического поля, рассчитанная пролетная частота генератора.

2.6.7 В конце отчета дать письменное заключение по проделанной работе.

Сопоставьте экспериментальные данные с результатами теоретического анализа.

 

2.7 Контрольные вопросы

 

2.7.1 Дайте качественное объяснение эффекта Ганна на основе двухдолинной модели полупроводника.

2.7.2      Особенности устройства диода Ганна.

2.7.3      Как зависит средняя скорость электронов в арсениде галлия от напряженности электрического поля?

2.7.4      Объяснить физическую картину образования домена.

2.7.5      Объяснить вольтамперную характеристику диода Ганна.

2.7.6      Принцип действия генератора на диоде Ганна в пролетном режиме.

2.7.7      Принцип действия генератора на диоде Ганна в режиме с подавлением домена.

2.7.8      Принцип действия генератора на диоде Ганна в режим с задержкой     образования домена.

2.7.9      Режим ограниченного накопления объемного заряда генератора на диоде Ганна.

2.7.10  Чем определяется верхняя рабочая частота генератора на диоде Ганна?

2.7.11  Каким образом можно осуществить перестройку частоты генератора на диоде Ганна?

2.7.12  Область применения диода Ганна.

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа №3

         

Исследование работы диодов Ганна

 

3.1 Цель работы

 

Изучение  принципа  действия  диода  Ганна, исследование  основных  характеристик  генератора  на  диоде  Ганна, измерение  основных параметров генератора.

 

3.2 Варианты  проведения  лабораторных  работ

 

Таблица 3.1

Номер  варианта

Тип диода

1 Вариант

АА718А

2 Вариант

АА725А

3 Вариант

АА726А

 

3.3 Описание  лабораторного  стенда

 

3.3.1 Лабораторный стенд реализован в виде математической модели на компьютере. В основе математической модели заложена эквивалентная схема, представленная на рисунке 3.

 

Рисунок 3 - Эквивалентная схема лабораторной установки

 

В режиме измерения вольтамперной характеристики внешний генератор синусоидального напряжения U1 подключен к сопротивлению Rxx (сопротивление холостого хода) с помощью переключателя К1, то есть выключен. Постоянное напряжение U0 через амперметр подается на диод Ганна ДГ. При проведении измерений в других режимах входное синусоидальное напряжение через переключатель К1 подается на диод Ганна ДГ при этом напряжение U0 задает необходимое смещение. В зависимости от режима работы диода Ганна выбирается и нагрузка. Она задается переключателем К2. Контур Lн и Cн настроен на частоту внешнего генератора. Форма тока через диод Ганна снимается с помощью осциллографа через трансформатор тока Т.

Общий вид лабораторного стенда представлен на рисунке 4.   

      

1 – Меню  пуск; 2 – Меню  помощь; 3 – Тумблер  включения/выключения стенда; 4 – Индикаторная  лампа; 5 – Индикатор  режима  работы; 6 – Панель  выбора  диода; 7 – Поле  вывода  схемы  включения  диода; 8 – Поле  вывода осциллограмм; 9 – Регулятор изменения напряжения  питания; 10 – Поле  вывода  значения  тока; 11 – Регулятор изменения  амплитуды  входного  сигнала; 12 – Поле вывода значения  питающего напряжения; 13 – Поле вывода значения  амплитуды  входного  сигнала

Рисунок 4 - Общий  вид  лабораторного  стенда

 

3.3.2 Меню  пуск

 

Выбор  режима  осуществляется  нажатием  на  выбранный  пункт  меню,

после  этого  возле  него  появляется  индикатор   1 – индикатор  выбора.

Рисунок 5 -Состав  меню  пуск

 

Выбор  режима  осуществляется  нажатием  на  выбранный  пункт  меню.

 

3.3.3 Меню  помощь

 

Рисунок 6 -Состав меню  помощь

                                         

3.4 Рабочее  задание

 

3.4.1 Запустите программу и получите допуск к лабораторной работе 

 

Рисунок 7 - Окно допуска к лабораторной работе

Выбирая курсором номер вопроса, а затем нажимая одну из трех кнопок ОК (рисунок 7), ответив не менее чем на 10 вопросов, вы получите допуск к лабораторной работе. Если вы по какой либо причине не знакомы с теоретическим материалом, то он помещен в программу, где расположены методические указания. После ответов на вопросы нажмите кнопку «Результат» и вы войдете в основное окно программы (рисунок 4).

 

3.4.2 Исследовать  вольтамперную  характеристику

         В  меню  Пуск  выбрать   режим  измерения  вольтамперной  характеристики, изменяя  регулятором 9 напряжение  питания  от минимального значения до максимального и в обратную сторону получить  соответствующие  значения  тока. Полученные  данные  занести  в таблицу. Построить  зависимость  I=f(Uo) при прямом и обратном ходе регулятора.

 

3.4.3 Исследовать  работу  диода  Ганна  в  пролетном  режиме

В  меню  Пуск  выбрать  пролетный  режим, изменяя  регулятором  11  амплитуду  входного сигнала,  получить  соответствующие  осциллограммы  тока. По  осциллограммам  определить  амплитуду  тока  и  частоту.

 

3.4.4 Исследовать  работу  диода  Ганна  в  режиме с  задержкой  образования  домена

         В  меню  Пуск  выбрать режим с  задержкой  образования  домена, изменяя  регулятором  11  амплитуду  входного сигнала,  получить  соответствующие  осциллограммы  тока. По  осциллограммам определить  амплитуду  тока  и  частоту.

 

3.4.5 Исследовать  работу  диода  Ганна  в  режиме с подавлением (гашением)  домена

         В  меню  Пуск  выбрать режим с подавлением (гашением) домена, изменяя  регулятором  11  амплитуду  входного сигнала,  получить  соответствующие  осциллограммы  тока. По  осциллограммам  определить  амплитуду  тока  и  частоту.

 

3.4.6 Исследовать  работу  диода  Ганна  в  режиме ограниченного  накопления  объемного  заряда

         В  меню  Пуск  выбрать режим ограничения  накопления  объемного  заряда, изменяя  регулятором  11  амплитуду  входного сигнала,  получить  соответствующие  осциллограммы  тока. По  осциллограммам  определить  амплитуду  тока  и  частоту.

 

3.4.7 Исследовать  работу  диода  Ганна  в гибридном режиме

         В  меню  Пуск  выбрать гибридный режим, изменяя  регулятором  11  амплитуду  входного сигнала,  получить  соответствующие  осциллограммы  тока. По  осциллограммам  определить  амплитуду  тока  и  частоту.

3.5 Расчетное задание

 

3.5.1 Рассчитать  выходную  мощность  и  КПД  в  пролетном  режиме

      Выходное  напряжение  рассчитывается  по  формуле

                                                Uвых=Iвых·R,                                                            (3.1)

где  R = R0.

Сопротивление  диода определяется  по  формуле

                                                       .                                                    (3.2)

         Значения  Uпор  и  Iпор  определяются  по вольтамперной  характеристике.  Методика  определения  приведена   на   рисунке  5.

         Значение  выходной  мощности  определяется  по  формуле

                                                   ·Uвых·Iвых                                                 (3.3)

         Значение  КПД

                                                      .                                                      (3.4)

Значения  Uо  и  Iо  определяются  по вольтамперной  характеристике.

 

Рисунок 8 - Вольтамперная  характеристика  диода  Ганна

 

3.5.2 Рассчитать  выходную  мощность  и  КПД  в  режиме  с  задержкой  образования  домена.

Выходное  напряжение  рассчитывается  по  формуле:

                                                  ,                                                (3.5)

где  .

Сопротивление  диода определяется  по  формуле

                                                       .                                                   (3.6)

      Значения  Uпор  и  Iпор  определяются  по вольтамперной  характеристике.  Методика  определения  приведена   на   рисунке  4.

      Значение  выходной  мощности  определяется  по  формуле

                                                    Iвых .                                        (3.7)

      Значение  КПД

                                                      .                                                     (3.8)

Значения  Uо  и  Iо  определяются  по вольтамперной  характеристике.

 

3.5.3 Рассчитать  выходную  мощность  и  КПД  в  режиме  с подавлением (гашением)  домена.

         Выходное  напряжение  рассчитывается  по  формуле

                                                  ,                                                (3.9)

где  .

Сопротивление  диода определяется  по  формуле

                                                       .                                                  (3.10)

      Значения  Uпор  и  Iпор  определяются  по вольтамперной  характеристике.  Методика  определения  приведена   на   рисунке  4.

      Значение  выходной  мощности  определяется  по  формуле

                                                   ·Uвых·Iвых.                                         (3.11)

      Значение  КПД

                                                      .                                                   (3.12)

Значения  Uо  и  Iо  определяются  по вольтамперной  характеристике.

 

3.5.4 Рассчитать  выходную  мощность  и  КПД  в  режиме  ограниченного накопления  заряда.

         Выходное  напряжение  рассчитывается  по  формуле

                                                  ,                                              (3.13)

где  .

Сопротивление  диода определяется  по  формуле

                                                       .                                                  (3.14)

         Значения  Uпор  и  Iпор  определяются  по вольтамперной  характеристике.  Методика  определения  приведена   на   рисунке  4.

         Значение  выходной  мощности  определяется  по  формуле

                                                   ·Uвых·Iвых.                                              (3.15)

         Значение  КПД

                                                      .                                                   (3.16)

Значения  Uо  и  Iо  определяются  по вольтамперной  характеристике.

3.5.5 Рассчитать  выходную  мощность  и  КПД  в гибридном режиме

         Выходное  напряжение  рассчитывается  по  формуле

                                                  ,                                              (3.17)

где  .

Сопротивление  диода определяется  по  формуле

                                                       .                                                  (3.18)

         Значения  Uпор  и  Iпор  определяются  по вольтамперной  характеристике.  Методика  определения  приведена   на   рисунке  4.

         Значение  выходной  мощности  определяется  по  формуле

                                                   ·Uвых·Iвых.                                              (3.19)

         Значение  КПД

                                                      .                                                   (3.20)

Значения  Uо  и  Iо  определяются  по вольтамперной  характеристике.                      

 

3.6 Список  контрольных  вопросов

 

3.6.1 В  каком  диапазоне  частот  работают  генераторы  на  диодах  Ганна?

3.6.2 Что  является  характерным  для  доменных  режимов?

3.6.3 При  каких  условиях  наблюдается  пролетный  режим?

3.6.4 При  каких  условиях  наблюдается  режим с задержкой  образования  домена?

3.6.5      При  каких  условиях  наблюдается  режим с подавлением  домена?

3.6.6      При  каких  условиях  наблюдается  режим  ОНОЗ?

3.6.7      Какой  режим  является  промежуточным  между   доменным  и  режимом  ОНОЗ?

3.6.8      Назовите  главное  достоинство  режима  ОНОЗ.

3.6.9      Кем  открыт  режим  ОНОЗ?

3.6.10 Кем  открыт пролетный  режим?

3.6.11 Характер  гибридного  режима  зависит от …?

3.6.12 Дайте  качественное  объяснение  эффекта  Ганна  на  основе   двухдлинной  модели  полупроводника.

3.6.13 Особенности  устройства  диода  Ганна.

3.6.14 Как  зависит  средняя  скорость  электронов  в  арсениде  галлия  от  напряженности  электрического  поля?

3.6.15 Объясните  физическую  картину  образования  домена.

3.6.16 Объясните  вольтамперную  характеристику  диода  Ганна.

3.6.17 Принцип  действия  генератора  на  диоде Ганна   в  пролетном  режиме.

3.6.18 Принцип  действия  генератора  на  диоде Ганна   в  режиме  с подавлением  домена.

3.6.19 Принцип  действия  генератора  на  диоде Ганна   в режиме  с  задержкой  образования  домена.

3.6.20 Принцип  действия  генератора  на  диоде Ганна   в  режиме  ОНОЗ.

3.6.21 Принцип  действия  генератора  на  диоде Ганна   в  гибридном  режиме.

3.6.22 Чем  определяется  верхняя  рабочая  частота   генератора  на  диоде  Ганна?

3.6.23 Каким  образом   можно  осуществить  перестройку  частоты  генератора  на  диоде  Ганна?

3.6.24 Область  применения  диода  Ганна.

                                

 

 

Лабораторная работа №4

 

Исследование отражательного клистрона

 

4.1 Цель работы

 

Изучение конструкции и принципа действия отражательного клистрона, электронной перестройки частоты и энергетических характеристик генератора на отражательном клистроне.

 

4.2 Описание лабораторной установки

 

В состав установки входят клистронный генератор ГК4-19А, измерительная волноводная линия Р1-28, подвижная короткозамкнутая нагрузка и детекторная секция.

Клистронный генератор предназначен для возбуждения колебаний в сантиметровом диапазоне волн. На его встроенном осциллографе совместно с измерительной волноводной линией можно исследовать диапазон электронной перестройки частоты.

 

4.3 Домашняя подготовка

 

4.3.1 Изучить устройство и принцип действия отражательного клистрона.

4.3.2 Изучить описание работы и инструкции по эксплуатации приборов.

4.3.3 Рассчитать частоту колебаний генератора на отражательном клистроне К-27 (К-19).

Для трех зон генерации рассчитать центральную частоту колебаний на клистронеК-27 (К-19)

,

 

где U0 - ускоряющее напряжение, В;

      UОТР – напряжение на отражателе, В;

                D – расстояние между серединой зазора резонатора и отражателем, м;

                е = 1.6*10-19 Кл – заряд электрона;

                m = 9.1*10-31 кг – масса электрона;

                N = 3,4,5 – номер зоны генерации.

Параметры отражательных клистронов и рабочие напряжения приведены в таблице 4.1.

 

 

 

 

 

Таблица 4.1

 

Параметры клистрона

D, мм

W, мм

U0, В

Um, В

UОТР, В

Io, мА

Qн

K-27 (K-19)

2.40

0.024

300

280

135

0.007

300

 

4.3.4 Вычисление КПД генератора на отражательном клистроне в различных зонах генерации произвести по формуле

,

где   – функция Бесселя первого рода первого порядка, х = 2,41 – оптимальный параметр группирования.

 

4.3.5 Подготовить бланк отчета с блок-схемами проводимых измерений, таблицами для записи результатов.

 

4.4 Рабочее задание

 

4.4.1 Собрать лабораторную установку, согласно схеме на рисунке 9

1 - Блок питания; 2 - Генератор ГК4-19А; 3 - Измерительная линия;   

4 - Микроамперметр; 5- Подвижная короткозамкнутая нагрузка

Рисунок 9 - Схема лабораторной установки

 

4.4.2 Исследовать зависимость частоты колебаний клистрона от напряжения на отражателе.

Установить на генераторе одну из частот, вычисленную в пункте 3 домашней подготовки. С помощью ручек “Напряжение на отражателе” и “Установка частоты” настроить генератор, при этом на его встроенном осциллографе вы будете наблюдать зону генерации и метку в середине зоны генерации.

Измерить с помощью измерительной линии Р1-28 методом вилки частоты в центре зоны генерации клистрона и на уровне 0,5*Рвых справа и слева от центральной частоты. Уровень 0,5*Рвых устанавливается перемещением метки в зоне генерации с помощью ручки “Напряжение на отражателе” (рисунок 10).

Рисунок 10

 

При измерениях частоты записывайте положение ручки “Напряжение на отражателе”.

 

4.4.3 Перемещая ручку “Напряжение на отражателе” повторите пункт 2 рабочего задания для трех зон генерации. Определите электронную перестройку частоты в пределах каждой зоны генерации .

 

4.4.4 Определите крутизну электронной перестройки частоты для трех зон генерации .

 

4.4.5 Перемещая ручку “Напряжение на отражателе” по индикаторному прибору, расположенному на генераторе, снимите зависимость выходной мощности от напряжения на отражателе. Постройте график.

 

4.5 Расчетное задание

 

4.5.1 Рассчитать частотную характеристику для нескольких зон генерации генератора на отражательном клистроне.

Расчет частотной характеристики генератора на отражательном клистроне проводить по формуле

,

где f0 – частота колебаний генератора, Гц;

      Qн – добротность ненагруженной колебательной системы;

      N – номер зоны генерации;

      U0 – ускоряющее напряжение, В;

      UОТР – напряжение на отражателе, В;

      D UОТР – изменение напряжения на отражателе, В.

Исходные данные для расчета берутся из таблицы 4.1.

Значение аргумента D UОТР изменяется от –50 В до +50 В с шагом 1 В. Результаты расчета свести в таблицу и построить график (расчет можно произвести с помощью Excel или любого известного вам языка программирования).

 

4.5.2 По графику определить крутизну электронной перестройки частоты

Крутизна электронной перестройки частоты  обычно определяется для центра зоны.

 

4.6 Содержание отчета

 

4.6.1 Цель работы

4.6.2 Блок- схемы проводимых измерений

4.6.3 Таблицы и графики теоретических и экспериментально снятых частотных характеристик генератора

4.6.4 Результаты экспериментального определения диапазона электронной перестройки частоты

4.6.5 График зависимости выходной мощности генератора от напряжения на отражателе

4.6.6 Заключение по проделанной работе с сопоставлением экспериментальных данных с результатами теоретического анализа

 

4.7 Контрольные вопросы

 

4.7.1 Изобразите схему устройства отражательного клистрона и объясните принцип его действия.

4.7.2      Как в отражательном клистроне осуществляется модуляция электронов по скорости и от чего зависит глубина модуляции?

4.7.3      Как происходит группирование электронов по скорости?

4.7.4      Почему частота колебаний генератора зависит от напряжения на отражателе?

4.7.5      Объясните характер изменения частоты в пределах зоны генерации.

4.7.6      Что называется электронной перестройкой частоты и как её объяснить, используя баланс фаз?

4.7.7      Что называется шириной зоны генерации и крутизной электронной перестройки частоты?

4.7.8      Перечислить способы перестройки частоты колебаний отражательного клистрона.

4.7.9      Каковы принципы возникновения СВЧ поля в резонаторе клистрона при первом прохождении через него электронного потока?

4.7.10  Каковы амплитудные и фазовые условия самовозбуждения отражательного клистрона?

4.7.11  Как зависит мощность в нагрузке от номера зоны? Объясните наличие оптимальной зоны.

4.7.12  Нарисуйте зависимость выходной мощности от напряжения на отражателе в пределах нескольких зон генерации.

4.7.13  Какова величина электронного КПД отражательного клистрона и как она зависит от номера зоны генерации?

4.7.14  Объясните, почему энергетические показатели отражательных клистронов низкие?

4.7.15  Область применения клистронов.

4.7.15

Список литературы

 

1.     Андрушко Л.М., Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ. – М.: Радио и связь, 1981. – С. 23-37.

2.     Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ. - М.: Атомиздат, 1979. - С. 45-61.

3.     Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. – М.: Высшая школа, 1972. - С. 210-225. – Т.2

4.     Электронные приборы СВЧ / Под ред. В.Н.Шевчика. – Саратов: Изд-во Саратовского унив., 1980. - С. 20-76.

5.     Андрушко Л.М., Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ. – М.: Радио и связь, 1981. - С. 120-135.

6.     Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ.- М.: Атомиздат, 1979. - С. 163-187.

7.     Васильев В.Н. Электронные и квантовые приборы СВЧ. – М.: Связь, 1972. -   С. 128-130.

8.     Электронные приборы СВЧ / Под ред. В.Н.Шевчика. – Саратов: Издат. Саратовского унив., 1980. - С. 334-338.

9.     Васильев В.Н. Электронные и квантовые приборы СВЧ. – М.: Связь, 1972. - С. 205-209.

10. Дулин В.Н. Электронные и квантовые приборы СВЧ. – М.: Энергия, 1972. -  С. 133-195.

11. Андрушко Л.М., Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ. – М.: Радио и связь, 1981. - С. 23-37.

12. Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ.- М.: Атомиздат 1979. - С. 45-61.

13. Васильев В.Н. Электронные и квантовые приборы СВЧ. – М.: Связь, 1972. -  С. 9-48.

14. Дулин В.Н. Электронные и квантовые приборы СВЧ. – М.: Энергия, 1972. - С. 21-58.

15. Электронные приборы СВЧ / Под ред. В.Н.Шевчика и М.А.Григорьева. – Саратов: Издат. Саратовского унив., 1980. - С. 20-76.

16.Андрушко Л.М., Федоров Н.Д. Электронные  и  квантовые  приборы  СВЧ. – М.: Радио  и  связь, 1981. - С. 120 – 135.

17.Федоров Н.Д. Электронные  и  квантовые  приборы  СВЧ. – М.:Атомиздат,1979. - С. 163 – 187.

18.Васильев В.Н. Электронные  и  квантовые  приборы  СВЧ. – М.: Связь, 1972. – С. 128 – 130.

19.Царапкин  Д.П. Генераторы  СВЧ на  диодах  Ганна. - М.: Радио  и  связь,1982. - 112с.

Содержание

 

1 Исследование магнетронного генератора

2 Исследование диода Ганна

3 Исследование работы диодов Ганна

4 Исследование отражательного клистрона

Список литературы

Стр.

3

7

11

19

23

 

 

 

 

 

 

Сводный план 2003г., поз. 97 

                                                                                                             

                                                                                                                                              

 

 

 

 

Владислав Саркисович Хачикян

 

 

 

 

 

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ И

КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ

 

Методические указания к выполнению

лабораторных работ

(для студентов всех форм обучения специальностей 380340 – Радиотехника, 380540 – Радиосвязь, радиовещание и телевидение, 380740- Системы

и  средства подвижной связи, 380940 – Радиосвязь и радионавигация)

 

 

 

 

 

Редактор В.В.Шилина

 

 

 

 

Подписано в печать                            Формат 60х84 1/16

Тираж 50   экз.                                  Бумага типографическая №1

Объем  1,5  уч.-изд.л.                             Заказ______ Цена 50 тг.

 

 

 

Копировально-множительное бюро

Алматинского института энергетики и связи

480013 Алматы, Байтурсынова,126