Способ измерения сопротивления связи замедляющих систем

 

О П И СА Н И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

297Î87

Сова Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 22. т/111.1968 (№ 1264669/26-25) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 02 1!1.1971. Бюллетень № 9

Дата опубликования описания 23ХП.1971

МПК Н 01j 9/42

Комитет ло делам иаобретений и открытий лри Совете Министров

СССР

УДК 621.385.6.083.9 (088.8) Авторы изобрете.ния

Б. С. Дмитриев, Ю. Д. Жарков и В. А, Рачков

Заявитель

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВЯЗИ

ЗАМЕДЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Ввиду сложности замедляющих систем, применяемых в настоящее время, строгое описание электродинамических процессов в них требует использования громоздкого математического аппарата. Несмотря на это, теоретические формулы для расчета основных электродинамических характеристик замедляющих систем — сопротивления связи и коэффициента замедления — в ряде случаев дают только приближенный результат, не обладающий требуемой для конструирования приборов точностью. Поэтому проблема экспериментального исследования электродинамических свойств периодических структур является весьма актуальной и практически важной.

Наибольшими достоинствами среди известных способов измерений параметров замедляющих систем обладают способы, основанные на изучении взаимодействия электронного пучка с бегущей электромагнитной волной, поскольку электронный пучок является тем естественным анализатором, который автоматически выделяет необходимую пространственную гармонику, взаимодействуя при этом только с продольной составляющей электромагнитного поля. Эти способы отличаются высокой точностью определения сопротивления связи и дисперсии замедляющих систем

1т простотой измерений.

Известны два способа измерения сопротивления связи замедляющих систем с помощью электронного пучка: полного подавления сигнала и малых электронных затуханий, которые, несмотря на свои несомненные преимущества, все же обладают некоторыми недостатками и трудностями, ограничивающими возможность их широкого применения. Дело в том, что наиболее простые измерения со10 противления связи по условиям бесконечного затухания сигнала (эффект Компфнера) при практически приемлемой длине взаимодействия и тока пучка можно осуществить для структур с относительно высоким сопротивле15 нием связи. Метод малых электронных затуханий более универсален и позволяет исследовать замедляющие системы при малых электрических длинах и сопротивлении связи порядка нескольких ом, однако применение

20 этого метода требует измерения величины электронного затухания, что представляет собой самостоятельную задачу.

Целью изобретения является создание наи25 более простого способа измерения сопротивления связи замедляющих систем, осиованного на взаимодействии электронного пучка с бегущей электромагнитной волной, заключающегося в определении величин, легко подда30 ющихся измерению, таких, как ток и напря297087 жение, в результате чего упрощается и ускоряется процесс измерений.

Для достижения этой цели предлагается использовать способ измерения сопротивления связи замедляющих систем, предусматривающий взаимодействие электронного пучка с бегун;ей электромагнитной волной, распространяющейся в исследуемой замедляющей системе. С огл а си о изобретению сни м ают зависимость напряжения, соответствующего режиму отсутствия взаимодействия электронного пучка с замедленной электромагнитной волной (режим «невлияния») от тока электронного пучка, проходящего в исследуемой замедляющей системе, и затем по формуле определяют сопротивление связи:

12

e.n (5,— —"; ) где R<„— сопротивление связи замедляющей системы; р,— постоянная распространения электронного пучка;

l — геометрическая длина замедляю- 25 щей системы;

I — ток коллектора;

U — напряжение, соответствующее режиму «невлияния».

Чтобы измерить сопротивление связи R,>, определяют изменение напряжения «невлияния» (т. е. напряжения, соответствующего режиму «невлияния»), при котором скорость

V< пучка равна фазовой скорости Vy волны (при варьировании тока пучка, который заметно меньше тока срыва колебаний в замедляющей системе). Замедляющая система вводится в измерительный тракт либо с помощью электронного зонда, либо с помощью лампы бегу щей волны (ЛБВ) . 40

Процесс измерения состоит из следующих этапов.

При определенном токе 1 пучка измеряют напряжение U точки перехода от режима ослабления сигнала электронным пучком на вы- 45 ходе ЛБВ к режиму усиления (напряжение

«невлияния»).

Аналогичные измерения проводят при меньших токах пучка (до таких значений тока, при которых еще наблюдается взаимодейст- 50 вие волны с пучком) .

По полученным данным строят кривую зависимости напряжения U;а пучка I.

Из графика U (I) находят производную

dl dU при наименьших токах пучка, после че- 55 го по формуле

12

Rm—

60 определяют сопротивление связи замедляющей системы на данной частоте сигнала.

На фиг. 1 представлена кривая зависимости коэффициента электронного взаимодействия от скорости .пучка; на фиг. 2 — блок-схе- 65 ма одного из вариантов измерительной установки.

Для пояснения основных соотношений, выведенных в рамках линейной теории ЛБВ, из которых получена аналитическая формула для расчета сопротивления связи по измеренным току и напряжению, рассмотрим взаимодействие электронного пучка с бегущей волной в режиме, близком к синхронизму.

На первый взгляд может казаться, что при точном синхронизме, когда V,= 1 ф, коэффициент электронного взаимодействия 6 равен нулю (см. фиг. 1). Однако это не так, поскольку при прохождении пучка через поля замедляющей системы пучок группируется по плотности в нулевой фазе поля и, в свою очередь, наводит в системе поле, сдвинутое в фазе относительно внешнего сигнала, что эквивалентно изменению скорости суммарной волны.

При этом средняя скорость электронов несколько больше скорости волны, электронные уплотнения оказываются в тормозящей фазе, и становится возможной передача их энергии полю суммарной волны, а следовательно, и усиление. Заметим, что при V„= V@ активная мощность взаимодействия равна нулю, и именно реактивное влияние пучка на волну делает возможным усиление. Реактивная мощность не влияет на усиление сигнала, однако изменение последней влечет за собой изменение фазовой скорости суммарной волны, и точка А на кривой взаимодействия (см. фиг. 1), являющаяся точкой перехода от ослабления к усилению, смещается по оси абсцисс. Поскольку реактивная мощность зависит от сопротивления связи, электрической длины, тока взаимодействия и ускоряющего напряжения, то естественно предположить, что при изменении одного из названных параметров (например, тока 1) точка А будет смещаться, причем величина смещения должна зависеть от зафиксированного параметра

{например, сопротивления связи). Очевидно, что чем меньше ток, тем меньше реактивная связь пучка с полем системы, что соответствует повышению скорости электронов. Поэтому, зная характер зависимости скорости пучка электронов от тока пучка в режиме невлияния (точка А на фиг. 1), можно использовать ее для нахождения сопротивления связи.

В рамках линейной теории рассмотрим процесс взаимодействия пучка с волной в режиме невлияния. При этом ограничимся малыми cN (с — параметр усиления Пирса, N — электрическая длина замедляющей системы). Нетрудно заметить, что имеется вполне определенная зависимость соотношения фазовой скорости волны и скорости электронов от тока пучка, сопротивления связи, ускоряющего напряжения и электрической длины. Для удобства теоретического анализа необходимо установить связь этих величин, используя известную теорию ЛБВ «0» типа. Соотношение между скоростями волны и элек2И081

40

12

60

65 тронов удобнее всего описать с помощью относительного угла полета Фо.

+o= (р р) 1, где р, — постоянная распространения электронного пучка; р — постоянная распространения волны;

l — геометрическая длина замедляющей системы.

В режиме невлияния скорость пучка отличается от скорости волны незначительно, что позволяет считать относительный угол полета малой величиной. Как показал теоретический расчет, не приводимый в настоящем описании, это дает возможность значительно упростить математические преобразования и получить следующую аналитическую формулу для сопротивления связи:

С помощью описанного способа измерили сопротивление связи замедляющей системы в виде однозаходной проволочной спирали, установленной в ЛБВ. Сравнив результаты измерений с результатами, полученными другими способами (например, способом полного подавления, известного высокой точностью), получили хорошее совпадение во всем диапазоне частот.

Измерения можно проводить, например, с помощью измерительной установки, использующей супергетеродинный метод (см. фиг.2).

Высокочастотный сигнал от генератора 1 стандартных сигналов с уровнем мощности, соответствующим линейному режиму взаимодействия электронного пучка с волной, проходит через ферритовый вентиль 2, исследуемую замедляющую систему 8 в ЛБВ или электронном зонде и фиксируется установкой

4 для калибровки аттенюаторов типа Д1-1.

Установка 4 позволяет сравнивать отношение двух сигналов одной и той же промежуточной частоты; внешнего сигнала, проходящего через испытуемый элемент, и сигнала внутреннего генератора промежуточной частоты. Оба сигнала в противофазе поступают в схему фазового детектора на выходе УПЧ, и по нулевой индикации можно судить о равенстве уровней сравниваемых сигналов. Индикатором является стрелочный гальванометр с нулем на середине шкалы. При выключенном электронном пучке схема балансируется, т. е. выравниваются два сигнала, и на шкале устанавливается нуль. При включенном электронном пучке в режиме взаимодействия пучка с волной замедляющей системы баланс нарушается, так как пучок либо усиливает входной сигнал замедляющей системы, либо ослабляет его (см. фиг. 1). В соответствии с этим на индикаторном приборе стрелка отклоняется вправо или влево от нуля, а режим

«невлияния» фиксируется в момент прохож5

35 дения стрелки гальванометра через нуль при переходе от режима ослабления сигнала к р ежи м у усиления.

Кроме указанных выше, в блок-схеме имеются следующие элементы: блок 5 питания электронного зонда, ферритовый вентиль 6, смесительная камера 7, буферный аттенюатор

8, гетеродин 9 и блок 10 питания установки 4.

Сопротивление связи находят следующим образом. В исследуемой замедляющей системе 3 устанавливают режим полного подавления сигнала. Зная ток срыва 1,р и напряжение срыва (/,р, увеличивают ускоряющее напряжение до напряжения «невлияния»

U) У,р. При этом на индикаторе установки

4 наблюдается «невлияние» пучка на волну при токе взаимодействия I,ð. Далее снимают зависимость U от тока взаимодействия I npu уменьшении его значения до минимально возможнои величины, при которой еще наблюдается эффект взаимодействия. Наименьший ток при таких опытах 5 — 10 мка. R<> рассчитывают для токов взаимодействия I, в 3 — 5 раз меньших 1,р, т. е. в области, где теория дает наименьшую погрешность. Зная ток, соответствующее ему напряжение «невлияния», частоту сигнала, длину взаимодействия, радиусы пучка и канала взаимодействия, распределение затухания системы рассчитывают Rc по вышеупомянутой формуле.

Как показали теоретические и экспериментальные исследования, способ измерения сопротивления связи по смещению напряжения

«невлияния» позволяет исследовать замедляющие системы в дециметровом и сантиметровом диапазонах с величинами от единиц до нескольких сотен сантиметров. Относительная погрешность измерений при этом 12 /о.

Предмет изобретения

Способ измерения сопротивления связи замедляющих систем, основанный на взаимодействии электронного пучка с бегущей электромагнитной волной, распространяющейся в исследуемой замедляющей системе, отличаюи1ийся тем, что, с целью упрощения и ускорения процесса измерений, снимают зависимость напряжения, соответствующего режиму отсутствия взаимодействия электронного пучка с замедленной электромагнитной волной, от тока электронного пучка и затем по формуле определяют сопротивление связи: где 14, — сопротивление связи замедляющей системы; р« — постоянная распространения электронного пучка;

l — геометрическая длина замедляющей системы;

U — ускоряющее напряжение;

1„— ток коллектора.

297087

Фий / юг.2

Составитель Л. Фролова

Техред А. А. Камышникова Корректор 3. И. Тарасова

Редактор Б. Федотов

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 2046/19 Изд. М 657 Тираж 473 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и .открытий при Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5