Fachhochschule Bingen

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1 Fachhochschul Bingn Mikrowllnchnik SS 211 Vrsuch M2.3 Unrsuchungn am Rlxklysron BINEN Masr Elkrochnik ROF. DR.-IN. F. REISDORF rupp: Daum: Nam: Marikl Nr.: Tsa: 1 Mssung dr Ausgangslisung und Schwingungsrqunz ins Rlxklysrons 1.1 Mssaugab Di Ausgangslisung und di Schwingungsrqunz ds Klysrons 2K25 sind in Abhängigki von dr Rlkorspannung zu mssn und graphisch darzuslln. Aus dn Msswrn sind di lkronisch Bandbri (Halbwrsbri) und di lkronisch Absimmmpindlichki ds Klysrons zu rmiln. 1.2 Vrsuchsaubau Dn Aubau ds Klysronmssplazs zig Bild 1, wobi als Liungslmn im H-Brich dr Mssanordnung dr gnorm X-Band Hohllir R1 ingsz wird. Funkion und Wirkungswis ds Hohllirs und dr ingszn Hohllirkomponnn sind im Vrsuch M 2.1 (Hohllirmssplaz) bschribn und dor nachzulsn. Oszilloskop y x Klysron Spisgrä Krisall Dkor Wllnlängnmssr variablr Abschwächr Isolaor od. Abschwächr 1 db Rlx- Klysron variablr Kurzschluss Bild 1 Aubau ds Klysronmssplazs Das Klysronspisgrä lir di konsan Rsonaorspannung U Rs = 3 V und di Rlkorspannung, di im Brich 3 V - 2 V ingsll wrdn kann. Dr (ngaivn) Rlkorglichspannung kann in Sinus-, Rchck- odr Sägzahnspannung übrlagr wrdn, so dass das Klysron übr di Rlkorspannung modulir wrdn kann. Vrwnd wird di Sägzahnspannung mi U SS 2 V zur Darsllung dr Klysron-Modn mi Hil ds Oszilloskops. Di modulirndn Spannungn shn am Spisgrä als Ausgangsgrößn zur Vrügung und könnn an di x-ablnkung ins Oszilloskops angschlossn wrdn. Achung: Di modulirnd Spannung dar rs ingschal wrdn, wnn dr Rsonaorsrom (I Rs 22 ma) liß. Di vom Rlxklysron in dn Hohllir ingkoppl H 1 -Wll bri sich in posiiv und ngaiv Richung aus, wobi mi "posiiv" di Richung zum Krisalldkor, mi "ngaiv" di zum variabln Kurzschluss bzichn wird. Di in ngaiv Richung laund Wll wird an dm variabln Kurzschluss rlkir und übrlagr sich mi dr in posiivr Richung laundn Wll. Dr variabl Kurzschluss muss so ingsll sin, dass rlkir und vorlaund Wll konsrukiv inrrirn. Dr s ingsll Abschwächr (1 db) schüz das Klysron bi Fhlanpassung. Nachilig is, dass das vorlaund Nuzsignal bnalls gdämp wird. ünsigr is hir dr Einsaz ins Isolaors, dr di vorlaund Wll shr wnig (yp.,5 db), di rücklaund Wll shr sark (z. B. 3 db) dämp. Di Schwingungsrqunz ds Klysrons wird mi dm Wllnlängnmssr übrprü. Mi Hil ds variabln Abschwächrs kann di Darsllung ds glichgrichn Mikrowllnsignals am Oszilloskop au voll Bildschirmhöh gbrach wrdn. Das von dm Hohllir-Diodnsysm glichgrich Signal wird dm glichspannungsgkoppln y-eingang ds Oszilloskops zugühr und im xy-brib dargsll von 7

2 Wg x MIWE 1.3 Thori Das Rlxklysron is in Oszillaorröhr ür dn Mikrowllnbrich und ghör zu dn sognannn Lauziröhrn. Bi disn Röhrn is di Lauzi dr Elkronn ggnübr dr riodndaur dr Oszillaorschwingung nich mhr klin, so dass di Elkronn mi dm hochrqunn Fld in Wchslwirkung rn. Hirbi rahrn di Elkronn in schwindigkismodulaion, aus dr im Endk Mikrowllnnrgi gwonnn wrdn kann. Dn prinzipilln Aubau ds Rlxklysrons zig Bild 2. Di von dr Kahod K rzugn und von dr Fokussirlkrod gbündln Elkronn wrdn im Raum zwischn Kahod und ir g 1 von dr posiivn Rsonaorspannung U Rs bschlunig. Si durchlaun dn Surraum (Spal) zwischn dn irn g 1 und g 2, di slbs Til ds Hohlraumrsonaors (Rs) sind. Hir ind di Wchslwirkung zwischn dn Elkronn und dm hochrqunn Wchslld ds Rsonaors sa. Schwing dr Rsonaor, so lig zwischn dn irn in hochrquns Wchslld (s. Bild 3). J nach Spannungsvrlau zwischn dn bidn irn wrdn di Elkronn nwdr bschlunig odr abgbrms. Im Nulldurchgang dr H-Spannung rolg kin schwindigkisändrung dr Elkronn. Dr Elkronnsrahl rähr also in schwindigkismodulaion. Nach Durchlaun ds Surraums glangn di Elkronn in dn Lauraum zwischn dm ir g 2 und dm Rlkor (R). Hir wrdn si inolg dr hohn ngaivn Rlkorspannung rlkir. Dr schwindigkisunrschid dr Elkronn bim Einri in dn Lauraum bwirk in vrschidn lang Vrwildaur in dism, so dass bim zwin Durchlaun ds Surraums dr Elkronnsrahl kin glichörmig Dich mhr bsiz. Di nach unrschidlichn Lauzin zurückkhrndn Elkronn vrinign sich zu Elkronnbündln. Man sprich von inm dichmodulirn Elkronnsrahl. Dn Übrgang vom gschwindigkis- zum dichmodulirn Elkronnsrahl vranschaulich Bild 3. Darin sind ün Elkronn ingzichn, di in glichn Ziabsändn in dn Surraum glangn. Di Elkronn 1, 3 und 5 rn zu inm Zipunk in dn Surraum, in dm di H- Spannung inn Nulldurchgang bsiz. Ihr schwindigki wird dahr nich binluss. Di Vrwildaur disr Elkronn im Lauraum is mi bzichn. Das Elkron 2 daggn wird von dr H-Spannung bschlunig und glang wir in dn Lauraum. Sin Vrwildaur is größr. Umgkhr wird das Elkron 4 vom H-Fld abgbrms, sin Vrwildaur is klinr. Di unrschidlichn Lauzin bwirkn nun, dass di Elkronn 2, 3 und 4 zur glichn Zi das zwi Mal dn Surraum rrichn. Es ri also in Elkronnbündlung au. Tri diss Elkronnbündl wi in Bild 3 dargsll au in abbrmsnds H- Fld, so gib s an diss Enrgi ab. Es komm zu inr Endämpung ds Hohlraumrsonaors. Ein solch Endämpung ds Rsonaors ri somi immr dann au, wnn - wi in Bild 3 dargsll - zwischn dr Lauzi und dr riodndaur T dr H-Schwingung di Bzihung gil: T n 3 4 n N l. 1 Für dn in Bild 3 dargslln Fall is di Ordnungszahl n = 1, d. h. s is = 7/4T. Das Klysron kann also bi vrschidnn Lauzin schwingn. Man sprich von dn vrschidnn Schwingungsbrichn odr Modn ds Klysrons und knnzichn si mi dr Ordnungszahl n. Im rgulärn Brib arbi das Klysron im Modus n = 2. Di Lauzin und dami di inzlnn Modn lassn sich mils dr Rlkorspannung inslln, da di Vrwildaur gmäß dr olgndn Bzihung bi konsanr Rsonaorspannung nur mils dr Rlkorspannung vrändr wrdn kann. 2 von 7 Lauraum mchanisch Absimmung R g 1 Bild 2 Schmaisch Darsllung ins Rlxklysrons mi Enrgiinkopplung in inn Rchckhohllir T K U K R 1 Surraum g 2 Rs + U Rs + - UR Rlkorbn u() ûh sin( ) Kahodnbn Bild 3 Schmaisch Darsllung dr schwindigkis- und Dichmodulaion ds Elkronnsrahls im Rlxklysron g 2 g 1

3 2m URs 2 2 URs UR l. 2 Hirin bdun: Absand zwischn ir und Rlkor m : Ruhmass ds Elkrons : Elmnarladung U Rs : Rsonaorspannung : Rlkorspannung Aus dn bidn lzn lichungn lassn sich im rinzip di ür di inzlnn Modn rordrlichn Rlkorspannungn brchnn. Im Bild 5 is di Mikrowllnlisung dr inzlnn Modn ds Rlxklysrons 2K25 als Funkion dr Rlkorspannung ür di Bribsrqunz = 9,37 Hz dargsll. lichziig wird dulich, dass di Schwingungsrqunz ds Klysrons bnalls von dr Rlkorspannung binluss wird Di Schwingungsrqunz ds Klysrons Di Wirkungswis ins Rlxklysrons läss sich durch inn vrlusbhan aralllschwingkris bschribn, zu dm noch in Liwr Y paralll gschal is. Disr Liwr bschrib di Wirkung ds di Schwingung anachndn Elkronnsrahls. Er wird von dm im Rsonaor inlunzirn Srom I m durchlossn. Man bzichn ihn als lkronischn Spalliwr Y. Im Y U jb l. 3 Dr samliwr ds Kriss is: 6 5 n = 2 n = 1 1 Y p j C jb L Y p j2c jb l. 4 mw 4 3 n = 3 Y Für sabil Schwingungn muss Y = sin, d. h. s muss gln: p I m L Bild 4 Ersazschalbild ds Rlxklysrons B 2 C 2 C( ) l. 5 1 LC Dr Ralil ds Spalliwrs muss zur Endämpung ds Kriss also ss ngaiv glich dm Vrlusliwr ds Rsonanzkriss sin. Di Bribsrqunz ds Klysrons rhäl man durch Division dr bidn lichungn ür und B. C R U MHz n = 5 n = 4 n = UR V Bild 5 Di Abhängigki dr Mikrowllnlisung und dr Frqunzändrung von dr Rlkorspannung ür das Rlxklysron 2K25 bi = 9,37 Hz 3 von 7

4 B 2 C ( ) p B p B C 2 Q C Q p l. 6 Di Schwingungsrqunz ds Klysrons wird also bsimm durch di Rsonanzrqunz und di Bribsgü Q ds Rsonaors sowi durch dn Quoinn aus Imaginär- und Ralil ds lkronischn Spalliwrs. Di Schwingungsrqunz ds Klysrons läss sich hirnach au zwi unrschidlich Arn binlussn. Durch mchanisch Absimmung Hirbi wird in lxiblr Til ds Rsonaors mils inr am Klysronghäus angbrachn Schraub in sinn Abmssungn vrändr. Dadurch vrändrn sich L und C im Rsonaorrsazschalbild. Di Rsonanzrqunz kann so in inm win Brich vrsll wrdn. Bild 6 zig, dass das Klysron 2K25 im Brich von 8,2 Hz bis 9,6 Hz abgsimm wrdn kann. Di rordrlich Rlkorspannung ür dn Modus n = 2 und di maximal abgbbar Mikrowllnlisung sind bnalls dargsll. Durch lkronisch Absimmung Wird di Rlkorspannung so ingsll, dass di Lauzi grad = (n + ¾)T bräg, so is B = und das Klysron schwing nach l. 6 mi dr Rsonanzrqunz bi maximalr Ausgangslisung. Variir man di Rlkorspannung in inm klinn Brich, so riß di Schwingung nich soor ab, sondrn s vrklinr sich zunächs di Ausgangsampliud und dami di Ausgangslisung. lichziig ri nun wgn B nach l. 6 in Schwingungsrqunz au, ür di gil: ür ür B B Das Klysron ändr also innrhalb dr Schwingungsbrich dr Modn sin Ausgangslisung und Frqunz bi Variaion dr Rlkorspannung. Disn Sachvrhal zig Bild 5, in dm di Ausgangslisung und di Frqunzändrung als Funkion dr Rlkorspannung anggbn sind Modulaion ds Rlxklysrons Das Klysron kann übr di Rlkorspannung modulir wrdn. Au rund dr zuvor bschribnn Eignschan ds Klysrons ri dabi sowohl Ampliudn- und Frqunzmodulaion au. Di Sinusmodulaion mi inr Ampliud, di dn Brich ds Modus übrdck, zig Bild 7a). Dabi nsh sowohl Frqunz- als auch Ampliudnmodulaion. Ein Rchckmodulaion, wi si in Bild 7b) dargsll is, wird z. B. vrwnd, wnn man di Modnkurvn ds UR V ,5 9, 9,5 Hz Bild 6 Rlkorspannung und Mikrowllnlisung ds Klysrons 2K25 in Abhängigki von dr insllbarn Frqunz ür dn Modus n = 2 bi inr Rsonaorspannung von U Rs = 3 V Klysrons mi inm VSWR-Mr ausmssn will. Dami hirbi kin Frqunzmodulaion auri, muss di Modulaionsspannung so bschan sin, dass si das Klysron von "voll in" bis "voll aus" durchmodulir mw 4 von 7

5 a) b) Bild 7 Sinus- und Rchckmodulaion ds Klysrons 1.4 Vrsuchsvorbriung a) rundlagn dr Wllnausbriung im Rchckhohllir, Hohllirkomponnn, sowi si im Vrsuchsaubau vrwnd wrdn (s. Vrsuch M 2.1), b) Aubau und Funkionswis ds Rlxklysrons. 1.5 Vrsuchsdurchührung a) Übrprüung ds Vrsuchsaubaus gmäß Bild 1. b) Klysron Spisgrä inschaln. Dabi is unbding darau zu achn, dass dr Schalr "Tasung" ür di Modulaionsspannung au "aus" sh. c) Nach Errichn ds Bribswrs ür dn Rsonaorsrom (I Rs 22 ma) Modulaionsspannung (Tasung) inschaln. Bim Brib mi dm Oszilloskop is di Sägzahnspannung zu vrwndn. Ampliud und Frqunz am Klysron Spisgrä au Maximum slln. d) Di Sägzahnspannung an di x-ablnkung, das Dkorsignal dr Diod an di y-ablnkung ds Oszilloskops anschlißn. Im xy-brib ds Oszilloskops is di Rlkorspannung zu variirn, bis sich in Modnkurv nsprchnd Bild 8 rgib. Mils dr Vrikalablnkung und ds variabln Abschwächrs is in opimal Einsllung ds Oszilloskops (voll Ausnuzung dr Skala) ür dn Modus n = 2 (15V < - < 2V) vorzunhmn. ) Di Mikromrschraub ds Wllnlängnmssrs (s. Vrsuch M 2.1) solang vrdrhn, bis in "dip" im Maximum dr Modnkurv auri (s. Bild 9). Aus dr abglsnn Hohllirwllnläng is di Schwingungsrqunz ds Klysrons zu rmiln. Di Absimmung ds Klysrons au di ür di rupp vorggbn Frqunz rolg mils ds Absimmknops ds Klysrons. Dabi mi dr Rlkorspannung und dr Wllnlängnmssrinsllung olgn. A A/2 -U -2 -U -1 U U 1 U 2 - Bild 8 Modnkurv ) Di Abhängigki dr Ausgangslisung und dr Frqunz von dr Rlkorspannung is ür all Modn im Brich 3V < - < 2V zu mssn und nsprchnd Bild 4 darzuslln. Mi Hil dr Cursorunkion ds Oszilloskops sind olgnd rößn zu bsimmn: U -2, U -1, U, U 1, U 2 und: -2, -1,, 1, 2 Bild 9 Mssung dr Minrqunz Bild 1 Ausmssn inr Mod 5 von 7

6 A/2 A/2 a) b) c) d) ) ) Bild 11 Zur Mssung dr Modnkurvn 1 Di Spannungn U -2, U -1, U, U 1, U 2 könnn mi Hil dr Cursorlinin ds Oszilloskops dirk gmssn wrdn (s. Bild 1). 2 Zur Bsimmung dr Frqunzwr wrdn zunächs di Hohllirwllnlängn an dn anggbnn Spannungn bsimm. Zur Bsimmung von -2 wird dr Wllnlängnmssr so abgsimm, dass dr "dip" im Schwingungsinsazpunk bi U -2 lig. Wllnläng noirn und hiraus di Frqunz brchnn. 3 Di glich Mssung wird an dn unkn halbr Lisung (U 1 ), bi maximalr Lisung (U ) und bim Schwingungsabriss (U +2 ) widrhol (s. Bild 1 und 11). Wirhin sind so vil Msspunk auzunhmn, dass di Modnkurv hinrichnd gnau widrggbn wrdn kann. g) Di Mssungn von unk ) sind ür all Klysronmodn durchzuührn, di sich durch Variaion dr Rlkorspannung im Brich von -3 V bis -2 V rgbn. Hinwis: Man rhäl dn Wr dr Frqunz aus dr Hohllirwllnläng mi Hil dr olgndn lichung: 2 c 8 m 1 c 2, a 2,286cm 2a s 1.6 Vrsuchsauswrung a) Man bsimm di olgndn Bribswr ds Klysrons:, U RES, I RES, U REF, Für jd Mod bsimm man: Di Ordnungszahl n, di lkronisch Bandbri Bl 1 1 und di lkronisch Absimmmpindlichki 1 E 1 l U1 U1 b) Aus dn Mssrgbnissn is das Modndiagramm A A U sowi max REF U REF mi Hil von Excl o. ä. graphisch darzuslln. (Hirbi sind all gmssnn Spannungn au U max dr Mod n = 2 zu normirn) 6 von 7

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