Электронные и квантовые приборы СВЧ

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

ЭЛЕКТРОННЫЕ И КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ

Лабораторный практикум

Красноярск

СФУ
2020

УДК 621.385.6(07)
ББК 32.86я73

Л441

Л441
Электронные и квантовые приборы СВЧ : Лабораторный практикум / сост. А. В. Изотов, А. М. Сержантов, А. С. Волошин, К. В. Лемберг, Е. Р. Гафаров, В. С. Панько. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 
2020. – 68 с.

Представлены краткие теоретические сведения, приведено описание лабора
торных установок и порядок работы с измерительными приборами, даны указания 
по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электронные и квантовые 
приборы СВЧ».

Предназначено 
для 
студентов 
института 
инженерной 
физики 

и радиоэлектроники направлений 11.03.01 «Радиотехника», 11.05.01 «Радиолокационные системы и комплексы», 12.03.01 «Приборостроение», 12.06.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы», 25.05.03 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования».

УДК 621.385.6(07)
ББК 32.86я73

Электронный вариант издания 
см.: http://catalog.sfu-kras.ru

© Сибирский федеральный

университет, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ

Общие указания................................................................................................... 4
1. Лабораторная работа № 1. Исследование отражательного клистрона...... 5

1.1. Краткие теоретические сведения............................................................ 5
1.2. Контрольные вопросы ........................................................................... 15
1.3. Описание лабораторной установки...................................................... 15
1.4. Порядок выполнения работы................................................................ 16
1.5. Содержание отчёта................................................................................. 17
Библиографический список ......................................................................... 17

2. Лабораторная работа № 2. Исследование лампы обратной волны 
типа «О» ............................................................................................................. 18

2.1. Краткие теоретические сведения.......................................................... 18
2.2. Контрольные вопросы ........................................................................... 28
2.3. Описание лабораторной установки...................................................... 29
2.4. Порядок выполнения работы................................................................ 30
2.5. Содержание отчёта................................................................................. 31
Библиографический список ......................................................................... 31

3. Лабораторная работа № 3. Исследование многорезонаторного
магнетрона ......................................................................................................... 32

3.1. Краткие теоретические сведения.......................................................... 32
3.2. Контрольные вопросы ........................................................................... 42
3.3. Описание лабораторной установки...................................................... 42
3.4. Порядок выполнения работы................................................................ 43
3.5. Содержание отчёта................................................................................. 44
Библиографический список ......................................................................... 45

4. Лабораторная работа № 4. Исследование генератора на диоде Ганна.... 46

4.1. Краткие теоретические сведения.......................................................... 46
4.2. Контрольные вопросы ........................................................................... 53
4.3. Описание лабораторной установки...................................................... 54
4.4. Порядок выполнения работы................................................................ 54
4.5. Содержание отчёта................................................................................. 55
Библиографический список ......................................................................... 55

Приложение. Работа с измерительными приборами..................................... 56

П.1. Источники питания ............................................................................... 56
П.2. Измеритель мощности М3-51 .............................................................. 59
П.3. Частотомер ЧЗ-68.................................................................................. 61

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Перед выполнением лабораторной работы необходимо изучить 

соответствующий теоретический материал, ознакомиться с настоящими 
указаниями и инструкцией по технике безопасности. 

Для допуска к выполнению лабораторных работ необходимо ответить 

на список контрольных вопросов, представленных после кратких 
теоретических сведений по теме работы. В соответствии с методическими 
указаниями подготовить необходимые таблицы для внесения результатов 
измерений.

Включать приборы и оборудование можно только с разрешения 

преподавателя! Оставляя рабочее место (даже на самое короткое время), 
следует выключать все питающие напряжения.

Работы выполняются подгруппами из 2–3 человек. Результаты 

экспериментальных исследований (протокол измерений) следует показать 
преподавателю. В протоколе измерений необходимо перечислить фамилии 
всех студентов, непосредственно принимавших участие в исследовании.

Отчёт о проделанной работе представляется преподавателю один 

на подгруппу. В нём должно быть отражено краткое содержание работы, 
структурные схемы экспериментальных установок, таблицы результатов 
измерений и вычислений, графики, а также выводы по результатам 
исследований. К отчёту прилагается подписанный преподавателем протокол 
измерений, а также черновики выполненных работ и проведённых расчётов.

1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО КЛИСТРОНА

Цель работы: исследование рабочих характеристик и ознакомление 

с устройством отражательного клистрона.

Содержание работы:
1. Руководствуясь 
допустимыми 
режимами 
питания 
прибора, 

экспериментально установить число возбуждаемых зон генерации. 
Определить напряжение на отражателе, соответствующее центру и краям 
зон генерации.

2. Исследовать зависимость выходной мощности и частоты генерации 

от напряжения на отражателе в пределах 0–500 В (не менее 10 измерений 
для каждой зоны генерации).

3. Определить выходную мощность и частоту генерации клистрона 

в центре каждой зоны генерации.

4. По 
экспериментальным 
данным 
рассчитать 
параметры

отражательного клистрона.

1.1. Краткие теоретические сведения

Отражательный клистрон относится к приборам с кратковременным 

взаимодействием электронного потока с СВЧ-полем в резонансных 
колебательных системах. В таких приборах используется принцип 
динамического 
управления 
электронным 
потоком, 
основанный 

на скоростной модуляции потока и группировании электронов в плотные 
сгустки, взаимодействующие с СВЧ-полем. Отражательный клистрон 
является маломощным генератором гетеродинного класса и применяется 
в новейших разработках в области частот от 0,8 до 600–800 ГГц. Основными 
достоинствами отражательного клистрона являются простота изготовления, 
высокая надёжность и стабильность характеристик и параметров. Также 
к плюсам такого СВЧ-генератора следует отнести возможность простой 
реализации механической и электрической перестройки частоты.

Колебательная 
система 
(объёмный 
резонатор) 
отражательного 

клистрона отличается от резонансных систем, используемых в диапазоне 
длинных и средних волн (рис. 1). Для объяснения работы такого резонатора 
на рис. 1, а показан качественный переход от открытого колебательного 
LC-контура с сосредоточенными параметрами к замкнутой системе –
полому резонатору. Для получения возможно более коротких волн 
конденсатор выполняется из двух небольших параллельных пластин, 
а контурная катушка заменяется одним витком, соединяющим пластины. 
В целях ещё большего уменьшения индуктивности параллельно данному 
витку включаются другие витки. Чем больше витков, тем меньше 
результирующая индуктивность контура, так как при параллельном 
соединении индуктивностей результирующая индуктивность уменьшается. 

В пределе образуется объёмный резонатор (рис. 1, б), электромагнитное 
поле которого полностью заключено в его внутреннем пространстве.

Благодаря отсутствию потерь на излучение, крепящих изоляторов 

и большой поверхности резонаторов их добротность достигает нескольких 
тысяч. Чтобы электронный поток мог проходить сквозь резонатор, 
его центральная часть выполняется не сплошной, а в виде двух сеток 
(рис. 1, б). А поскольку размер ячеек сеток много меньше длины волны 
СВЧ-колебаний, происходящих в резонаторе, сетки практически полностью 
экранируют 
электромагнитное 
поле 
внутри 
объёма 
резонатора. 

Как следствие, потери на излучение пренебрежимо малы.

Для связи резонатора с внешней нагрузкой используется виток связи 

или ёмкостный штырь (рис. 1, в). В первом случае преобладает индуктивная 
связь. В витке, плоскость которого располагают перпендикулярно силовым 
линиям магнитного поля, индуцируется ЭДС. Виток связи помещают 
в пучность тока. Регулировка степени связи производится поворотом витка 
относительно его оси. Во втором случае связь ёмкостная. Штырь вводят 
в пучность напряжения и регулируют связь, изменяя зазор между штырём 
и стенкой резонатора.

E

E
B

B
B

Сетка

Петля связи

Ёмкостный штырь

а

б
в

Рис. 1. Объёмный резонатор: а – переход от открытого колебательного контура 

с сосредоточенными параметрами к тороидальному полому резонатору;

б – общий вид и структура электрического и магнитного полей внутри полого резонатора;

в – устройства связи линии с резонатором

Важнейшими преимуществами отражательного клистрона (рис. 2, а) 

являются простота схемы питания и устройства, наличие электронной 
перестройки и широкий диапазон механической перестройки генерируемой 
частоты. 
Отражательный 
клистрон 
отличается 
стабильностью 

высокочастотных характеристик и параметров.

В вакуумном баллоне отражательного клистрона располагаются 

подогреваемый катод, ускоряющий электрод, объёмный резонатор, сетки 
которого пронизывает электронный поток. На некотором расстоянии 

расположен отражатель, на который подаётся отрицательное напряжение 
порядка Uотр ≈ –(100 ÷ 400) В. На рис. 2, б в соответствии со схемой питания 
представлена 
потенциальная 
диаграмма 
отражательного 
клистрона, 

т. е. диаграмма распределения потенциала поля в пространстве между 
катодом и отражателем. 

Принцип действия

Поток электронов, эмитируемых разогретым катодом, разгоняется 

полем ускоряющего электрода до скорости 
m
eU
v
/
2
0
0 
(формула легко 

получается из равенства кинетической энергии и потенциальной, 
затрачиваемой на разгон электронов 
0

2
0 2
/
eU
mv

, где e – заряд электрона, 

m – его масса, U0 – напряжение на ускоряющем электроде). Далее движение 
электронов между ускоряющим электродом и резонатором происходит 
равномерно со скоростью v0, так как потенциал электрического поля 
постоянен (см. рис. 2, б). Проходя через сетки резонатора, непрерывный 
поток электронов наводит в нём слабые колебания. Эти начальные 
колебания возникают из-за неравномерной плотности электронного пучка, 
вызванной 
флуктуациями 
термоэлектронной 
эмиссии 
катода. 

Под действием 
этих 
колебаний 
электронный 
поток 
модулируется 

по скорости, т. е. происходит уменьшение или увеличение скорости 
электронов в зависимости от фазы колебаний в резонаторе. При этом 
средняя скорость электронов v0 остаётся постоянной. 

Пролетев сетки резонатора в одном направлении, электроны 

тормозятся полем отражателя. Очевидно, что для невозмущённых 
(резонатором) электронов, двигающихся со скоростью v0, точка, в которой 
они полностью остановятся и начнут движение в обратном направлении, 
соответствует точке с нулевым потенциалом (точка А на рис. 2, б). 
Из-за разности 
скоростей 
электронов, 
с 
которыми они 
вылетают 

из резонатора, в пространстве между резонатором и отражателем 
(называемым пространством группирования) происходит модуляция 
электронного потока по плотности. Электроны возвращаются назад в виде 
сгустков и передают свою энергию высокочастотному полю резонатора, 
поддерживая возникшие колебания, амплитуда которых вскоре достигает 
стационарной 
величины. 
Рассмотрим 
более 
подробно 
процессы, 

происходящие в отражательном клистроне: процесс модуляции по скорости, 
процесс модуляции по плотности и процесс преобразования кинетической 
энергии электронных сгустков в энергию высокочастотных колебаний.

Эти процессы удобно пояснить с помощью пространственно
временной диаграммы (зависимости координаты или местоположения 
электронов от времени), представленной на рис. 2, в. Здесь по координате 
z отложены расстояния между электродами от катода до отражателя, а по 
оси абсцисс – время t. На этой пространственно-временной диаграмме 
представлены траектории только для трёх «характерных» электронов,