Способ определения границ полосы пропускания замедляющей системы прибора свч

 

Способ определения границ полосы пропускания замедляющей системы прибора СВЧ, включающий операции измерения частоты, входной и выходной мощности и определения границ полосы пропускания по частотной зависимости параметров испытуемого прибора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и увеличения достоверности результатов, измерения проводят при возбуждении прямой и обратной гармоник электромагнитного поля замедляющей системы и определяют искомые границы полосы пропускания как частоты, при которых коэффициент электронного усиления прибора имеет резонансные максимумы, совпадающие для обеих гармоник.

Изобретение относится к СВЧ-электронике, а именно к способам определения параметров замедляющей системы прибора СВЧ, и может быть использовано для борьбы с паразитными видами колебаний такого прибора. Известен способ определения границ полосы пропускания фильтрующих цепей, свойствами которых обладает большинство замедляющих систем, заключающийся в измерении частотной зависимости ослабления в отсутствии электронного пучка и определении искомых границ по заданному уровню ослабления [1] Недостаток указанного способа заключается в низкой точности (10 25%) вследствие неопределенности заданного уровня ослабления. Известен также способ определения границ полосы пропусканий путем измерения дисперсионной характеристики замедляющей системы на короткозамкнутых отрезках и определения искомых границ по значению сдвига фазы электромагнитной волны на один период замедляющей системы, который должен быть кратен π [2] Недостаток указанного способа заключается в трудности определения сдвига фаз на один период, близкого p, что приводит к необходимости аппроксимации точек дисперсионной характеристики на границе полосы пропускания замедляющей системы. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения границ полосы пропускания путем измерения частоты, входной и выходной мощности и определения границ полосы пропускания по частотной зависимости параметров исследуемого прибора [3] Способ осуществляется физическим моделированием электронных приборов СВЧ методом электронного зонда, определение границ полосы пропускания осуществляется по пересечению дисперсионных характеристик соседних гармоник электромагнитного поля замедляющей системы. Недостаток указанного способа заключается в том, что определение границ полосы пропускания сводится к аппроксимации точек пересечения дисперсионных кривых соседних гармоник электромагнитного поля замедляющей системы. Кроме того, необходимо изготовить такое сложное оборудование, как электронный зонд. Учитывая все эти причины, а также влияние диэлектрической трубки и внутренней спирали самого зонда, можно утверждать, что точность измерения границы полосы пропускания не превысит 10% Большинство замедляющих систем, используемых в электронике СВЧ, обладают свойствами фильтров, поэтому для полной характеристики таких приборов очень часто необходимо знать границы полосы пропускания замедляющей системы. Одним из основных типов паразитных колебаний электронных приборов СВЧ является самовозбуждение этих приборов на границе полосы пропускания замедляющей системы, поэтому подавление этих паразитных колебаний часто является одной из главных задач при конструировании приборов СВЧ, особенно средней и большой мощности, где опасность самовозбуждения на границах полосы пропускания значительная. Паразитные колебания не только засоряют спектр приборов, но часто приводят к подавлению основного (рабочего) вида колебаний, а иногда и к разрушению самих приборов. Следует отметить, что основная масса магнетронов работает на колебаниях p вида, т.е. на границе полосы пропускания замедляющей системы, поэтому точное знание границ полосы пропускания замедляющей системы необходимо для конструирования магнетронов такого типа. Если магнетрон работает не на p - виде колебаний, то колебание (p вида) на границе полосы пропускания становится паразитным. Таким образом, для его эффективного подавления опять необходимо точно знать частоты границ полосы пропускания. Кроме того, в последнее время появились математические методы определения параметров приборов СВЧ по сведениям о граничных частотах замедляющей системы. Целью изобретения является повышение точности измерения и увеличение достоверности результатов. Указанная цель достигается тем, что в способе определения границ полосы пропускания замедляющей системы прибора СВЧ, включающем операции измерения частоты, входной и выходной мощности и определения границ полосы пропускания по частотной зависимости параметров испытуемого прибора, измерения проводят при возбуждении прямой и обратной гармоник электромагнитного поля замедляющей системы и определяют искомые границы полосы пропускания как частоты, при которых коэффициент электронного усиления прибора имеет резонансные максимумы, совпадающие для обеих гармоник. На чертеже представлена зависимость коэффициента электронного усиления G от частоты f при взаимодействии электронного пучка с прямой (кривая 1) и с обратной (кривая 2) гармониками электромагнитного поля замедляющей системы. Вблизи границ полосы пропускания замедляющей системы ее волновое сопротивление значительно больше волнового сопротивления нагрузки. Поэтому на границах полосы пропускания замедляющая система становится резонатором типа закороченной на концах линии. Способ осуществляется следующим образом. Сначала включают прибор как усилитель бегущей волны и измеряют зависимость ускоряющего напряжения от частоты для прямой гармоники электромагнитного поля замедляющей системы. Одновременно измеряют зависимость коэффициента электронного усиления от частоты. Измерения проводят при малых значениях рабочих токов прибора (ток на замедляющей системе плюс ток коллектора), чтобы избежать влияния электронного пучка на параметры замедляющей системы. Рабочий ток поддерживается постоянным с помощью регулировки анодных напряжений электронной пушки, а также поддерживают постоянной мощность входного сигнала. На частоте резонатора замедляющей системы (границы полосы пропускания) наблюдают резкое увеличение значения коэффициента электронного усиления (в 3 5 раз), за границей полосы пропускания значение коэффициента электронного усиления резко падает. Затем для того, чтобы убедиться, что наблюдаемое резонансное явление не случайно, включают прибор как усилитель обратной волны и измеряют зависимость ускоряющего напряжения от частоты для обратной гармоники электромагнитного поля замедляющей системы. Как и для прямой гармоники, измеряют зависимость коэффициента электронного усиления от частоты при том же постоянном значении рабочего тока прибора и той же постоянной мощности входного сигнала, что и в первом случае. На границе полосы пропускания наблюдают резкое увеличение значения коэффициента электронного усиления (в 3 5 раз), которое резко снижается за границей полосы пропускания. Значения частот, измеренных на границе полосы пропускания на прямой и обратной гармонике, должны совпадать с точностью до 0,05% Точность определения границы полосы пропускания составляет 0,05 0,1% без учета погрешности измерительной техники. Пример 1. Измерения высокочастотной границы полосы пропускания, проведенные на лампе бегущей волны (ЛБВ) 0-типа. Сначала прибор включают как усилитель на прямой волне. Измерения зависимости ускоряющего напряжения от частоты показали, что вблизи высокочастотной границы полосы пропускания изменение частоты входного сигнала от 1500 до 1580 МГц вызывает изменение ускоряющего напряжения от 620 до 480В. Рабочий ток ЛБВ и мощность входного сигнала поддерживают постоянным и равными соответственно 23 мA и 0,8 мВт, частоту входного сигнала изменяют через 1 МГц. Коэффициент электронного усиления на частоте 1500 МГц составлял 7 дБ, с увеличением частоты он возрастал и на предполагаемой граничной частоте f_г 1569,93 МГц резко увеличился до 52 дБ при ускоряющем напряжении 508В (кривая 1). При дальнейшем увеличении частоты значением коэффициента электронного усиления резко падает. Так, при частоте 1580 МГц он составил 30 дБ. Для дальнейших измерений включают измеряемый прибор как усилитель на обратной волне. Поддерживая тот же уровень рабочего тока и входного сигнала, проводят измерения зависимости ускоряющего напряжения от частоты с одновременным измерением коэффициента электронного усиления. Ускоряющее напряжение менялось от 159 до 500В, что соответствовало частотам от 1500 до 1580 МГц. На предполагаемой граничной частоте f_г 1569,95 МГц и ускоряющем напряжении 510В наблюдалось резкое увеличение коэффициента электронного усиления до 50 дБ, а при дальнейшем увеличении частоты коэффициент электронного усиления резко падает (до 25 дБ при частоте 1580 МГц) (кривая 2). Таким образом, искомая граничная частота f_r 1569,9 МГц совпала при измерениях как на прямой, так и на обратной волне с точностью до сотых долей мегагерц. Эта частота и является высокочастотной границей полосы пропускания исследуемого прибора СВЧ. Пример 2. Измерения низкочастотной границы полосы пропускания. Включив ЛБВ как усилитель на прямой волне, поддерживают рабочий ток ЛБВ и мощность входного сигнала постоянным и равными соответственно 24 мА и 0,8 мВт. Частота входного сигнала измеряется через 1 МГц. Измерения зависимости ускоряющего напряжения от частоты показали, что вблизи низкочастотной границы полосы пропускания изменение частоты входного сигнала от 1200 до 800 МГц вызывает изменение ускоряющего напряжения от 115 до 90В. Измерения электронного коэффициента усиления от частоты показали, что на частоте f 1200 МГц он составлял 10 дБ. С уменьшением частоты коэффициент электронного усиления возрастал и на предполагаемой граничной частоте f_г 875,31 МГц резко увеличился до 33 дБ при ускоряющем напряжении 93В. При дальнейшем уменьшении частоты значением коэффициент электронного усиления резко падает. Так, на частоте f 800 МГц он составил 2,5 дБ. Для проверки полученных результатов ЛБВ включают как усилитель на обратной волне. Поддерживая тот же уровень рабочего тока и входного сигнала, проводят измерения зависимости ускоряющего напряжения от частоты с одновременным измерением коэффициента электронного усиления. Ускоряющее напряжение менялось от 160 до 80В, что соответствовало частотам от 1100 до 800 МГц. На предполагаемой граничной частоте f_г 875,31 МГц и ускоряющем напряжении 95В наблюдалось резкое увеличение коэффициента электронного усиления до 30 дБ, а при дальнейшем увеличении частоты коэффициент электронного усиления резко падает до 5 дБ при частоте f 800 МГц. Таким образом, искомая граничная частота f_г 875,31 МГц совпала при измерениях как на прямой, так и на обратной волне с точностью до сотых долей мегагерц. Эта частота и является низкочастотной границей полосы пропускания исследуемой ЛБВ. При использовании предлагаемого способа измерения границ полосы пропускания затраты при исследовании характеристик замедляющей системы в основном будут определяться стоимостью изготовления действующего макета прибора (или реального прибора) и затратами на его исследование, включая стоимость используемого при этом стандартного оборудования. Существенно (на порядок) повышается точность определения границы полосы пропускания замедляющей системы, что позволяет с высокой точностью судить о пригодности дорогостоящих приборов СВЧ для работы, в заранее заданных частотных диапазонах. Повышение точности определения границ полосы пропускания позволяет успешно бороться с паразитными сигналами (путем определения опасных с этой точки зрения режимов), что приводит к повышению эффективности работы прибора. Кроме того, повышение точности определения границы пропускания замедляющей системы безусловно сократит количество потребных для разработки макетов и время, затрачиваемое на создание действующего образца с заданными характеристиками. Повышается также достоверность полученных данных, так как измерения проводятся непосредственно на реальном приборе (или на максимально приближенном к реальному прибору действующем макете), не требуется изготовления дорогостоящих масштабных макетов, без которых невозможно использование способа-прототипа для приборов с рабочей длиной волны короче 3 см.

Формула изобретения

Способ определения границ полосы пропускания замедляющей системы прибора СВЧ, включающий операции измерения частоты, входной и выходной мощности и определения границ полосы пропускания по частотной зависимости параметров испытуемого прибора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и увеличения достоверности результатов, измерения проводят при возбуждении прямой и обратной гармоник электромагнитного поля замедляющей системы и определяют искомые границы полосы пропускания как частоты, при которых коэффициент электронного усиления прибора имеет резонансные максимумы, совпадающие для обеих гармоник.

РИСУНКИ

Рисунок 1

PA4A/PA4F - Прекращение действия авторского свидетельства СССР на изобретение на территории Российской Федерации и выдача патента Российской Федерации на изобретение на оставшийся срок

Номер и год публикации бюллетеня: 3-1998

(73) Патентообладатель:Ин-т радиотехники и электроники РАН Саратовский ф-л

(73) Патентообладатель:НИИ химии при Саратовском гос.университете им.Н.Г.Чернышевского

Извещение опубликовано: 27.01.1998