Физика атомного реактора Сопротивление материалов Математика решение задач Информатика Атомная энергетика безопасность Электротехника и электроника

Общий принцип действия и конструкции электрических машин Полупроводниковая электроника Трехфазный ток Принцип работы асинхронного двигателя Соединение нагрузки треугольником Полупроводниковые транзисторы


Генераторы сверхвысоких частот

Особенности генераторов сверхвысоких частот

Начиная с диапазона метровых волн и на более коротких волнах, в работе генераторов начинают появляться особенности, которые приводят к необходимости изменения конструкций как ламп, так и колебательных систем.

Возрастание частоты колебаний приводит к уменьшению сопротивления междуэлектродных емкостей  лампы. Например, переход от волны   к волне  вызывает падение емкостных сопротивлений в 100 раз, а переход к волне  в тысячу раз. Поэтому при тех же напряжениях на электродах в соответствующее число раз возрастают токи во вводах электродов лампы; тепловые же потери в них растут пропорционально квадрату токов и увеличиваются еще дополнительно с частотой изза поверхностного эффекта. У первых сверхвысоко частотных ламп перегрев вводов приводил к растрескиванию баллона в местах впаев. Для устранения перегревов вводы таких ламп выполняют в виде толстых стержней, широких лент или металлических колецдисков. Одновременно стремятся уменьшать междуэлектродные емкости ламп.

С ростом частоты значительно увеличиваются потери в диэлектриках, потому что при этом большее число раз в секунду происходит изменение поляризации их молекул. Участки баллона, разделяющие вводы электродов, находятся под действующими на них напряжениями и подвергаются высокочастотному нагреву. Стекло плохо переносит повышение температуры. Поэтому приходится принимать особые меры во избежание размягчения баллона, для сохранения жесткости конструкции и уменьшения потерь. В настоящее время у большинства сверхвысокочастотных ламп стекло заменено особой керамикой, обладающей повышенной термостойкостью и малыми потерями.

Наличие индуктивностей у вводов ламп приводит к невозможности использования сеток в качестве экранов изза возрастания индуктивного сопротивления выводов с ростом частоты. Это сопротивление препятствует замыканию емкостных токов, возникающих под действием напряжения на нагрузочном контуре, через экранирующую сетку в схеме с общим катодом и через управляющую сетку в схеме с общей сеткой. В результате этого увеличивается связь входной и выходной цепей и снижается значение достижимого устойчивого усиления. Чтобы уменьшить индуктивность выводов, переходят от спиральных проволочных к плоским конструкциям электродов с дисковыми и цилиндрическими выводами.


 Рис. 16.20

Типичные конструкции сверхвысокочастотных триодов с плоскими электродами, дисковыми и цилиндрическими выводами приведены на рис. 16.20. Некоторые их особенности можно будет дополнительно уяснить после знакомства со спецификой работы сверхвысокочастотных колебательных систем. С увеличением частоты индуктивность и емкость контура должны уменьшаться. Это приводит к тому, что в диапазоне метровых волн конденсаторы состоят всего из двухтрех пар небольших  пластин, а катушки индуктивности из нескольких витков.

Клистронные усилители и генераторы

Выше уже говорилось, что инерционность электронного потока приводит к потере эффективности работы ламповых генераторов в диапазоне СВЧ. Но, оказывается, инерционность электронов можно использовать для формирования коротких импульсов тока, что необходимо для получения высокого электронного КПД генераторных приборов. Первое устройство, в котором это было осуществлено двухконтурный клистрон.

Конструкция такого клистрона показана на рис. 16.21. В левой части баллона размещен электронный прожектор, предназначенный для создания однородного потока быстролетящих электронов. Он состоит из оксидного катода 1, фокусирующего электрода 2 в виде диафрагмы или цилиндра, на который подается небольшое отрицательное напряжение, сжимающее электронный пучок в поперечной плоскости, и ускоряющего электрода 3, находящегося под большим положительным напряжением. Однородный поток электронов, выйдя из прожектора, движется дальше по инерции, поскольку остальные элементы конструкции клистрона имеют тот  же потенциал, что и ускоряющий электрод, и постоянных электрических


Рис. 16.21

полей за прожектором нет. На пути потока установлен объемный резонатор 4, средняя часть которого выполнена  в виде сеток.

Объемные резонаторы, как и рассмотренные выше коаксиальные резонаторы, образуются замкнутыми металлическими поверхностями и представляют собой колебательные системы с собственными частотами, лежащими в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Происхождение их можно пояснить следующим образом.

Желая получить контур с предельно высокой собственной частотой, конструктор должен стремиться к максимально возможному уменьшению его емкости и индуктивности. При этом конденсатор он сводит к двум небольшим пластинам, а катушку индуктивности к одному витку, соединяющему эти пластины (пне. 16.22а). Казалось бы, большего достичь не удастся. Однако если вспомнить, что при параллельном соединении индуктивностей результирующая индуктивность уменьшается, то станет ясно, что таких витков целесообразно включить как можно больше (рис. 16.22б). Увеличив их число, придем к сплошной металлической поверхности, изображенной на рис. 16.22в. Собственная частота подобного контура должна быть очень высокой.


Попутно следует отметить, что благодаря большой поверхности токонесущих элементов и отсутствию потерь на излучение (все поле сосредоточено внутри объема, ограниченного проводящими поверхностями) объемные резонаторы обладают высокой добротностью, измеряемой сотнями и даже тысячами.

Рис. 16.22

Рис. 16.23

К первому объемному резонатору (первому контуру) клистрона подводится по фидерной линии напряжение  с частотой, равной его собственной частоте (рис. 16.23), и в контуре возбуждаются вынужденные колебания. Электроны, влетевшие в пространство между сетками резонатора, подвергаются воздействию его электрического поля; часть из них тормозится, а часть ускоряется. Благодаря тому, что колебания в первом резонаторе слабые, изменения скорости электронов

относительно невелики и изменений плотности потока внутри резонатора не происходит.

Продолжая свой полет за резонатором, электроны, получившие ускорение, начинают догонять электроны, прошедшие резонатор, когда на его сетке после тормозящей фазы напряжение стало равным нулю (эти электроны называют н е в о з м у ще н и ы м и). Электроны, прошедшие резонатор ранее в тормозящем поле, будут отставать и также приближаться к не возмущенным электронам, и на некотором расстоянии от первого резонатора, называемого группирователем, поток соберется в сгустки около невозмущенных электронов.

Следует обратить внимание на то, что с электронами, попавшими в резонатор, когда его поле переходило от ускоряющей к тормозящей фазе, произойдет обратное. Поскольку сначала резонатор проходили ускоренные электроны, а затем замедленные, то как те, так и другие будут удаляться от этих невозмущенных электронов и около них в потоке образуются разрежения. Поэтому сгустки будут следовать через интервалы, равные периоду колебаний в группирователе. Подобный процесс, при котором малая модуляция потока по скорости приводит к модуляции потока по плотности, называется скоростной группировкой электронного потока. Пространство же за группирователем, в котором происходит этот процесс, называют пространством дрейфа, так как электроны в нем летят по инерции (дрейфуют).

Если в месте, где образуются сгустки потока, поместить второй резонатор, то, проходя через его сетки, они будут наводить в нем переменные токи и между сетками создастся переменное электрическое поле. Сгустки приходят один раз за период и, взаимодействуя с тормозящим полем резонатора, пополняют его энергию так же, как импульсы анодного тока пополняют энергию контура в ламповом генераторе. Так же как в ламповом генераторе затраты мощности на модуляцию проходящего однородного по скорости потока практически ничтожны, а это значит, что прибор обладает хорошими усилительными свойствами.

Второй резонатор, которому поток передает свою энергию, называют улавливателем. Вследствие того, что сгруппированный поток, подобно морским волнам, воздействует на улавливатель, прибор был назван клистроном, что в переводе означает «морской прибой». Электроны, прошедшие улавливатель, собираются коллектором. Полезная мощность из улавливателя передается в нагрузку с помощью элемента связи и фидерной линии. Как и всякий усилительный прибор, клистрон может быть превращен в автогенератор, если соединить улавливатель с группирователем линией ОС (рис. 16.24).

Двухконтурные и более сложные, но работающие на том же принципе многоконтурные клистроны широко используются преимущественно как усилители дециметровых и сантиметровых волн. Основным достоинством их является большой коэффициент усиления по мощности, достигающий десятков миллионов! К недостаткам клистронов следует отнести сравнительно низкий КПД, не превышающий обычно 45%, и возможность работы только в очень узком диапазоне частот, что определяется наличием  двух и более высокодобротных резонаторов, механическая перестройка которых затруднительна.

В качестве маломощных автогенераторов широкое распространение получили одноконтурные отражательные клистроны. В них вместо второго резонатора поставлен отрицательно заряженный электродотражатель (рис. 16.25). Электроны, прошедшие резонатор, летят по инерции к отражателю, но под действием его поля останавливаются, а затем летят в обратном направлении и вторично проходят через резонатор. При этом ускоренные электроны подлетают ближе к отражателю, чем замедленные. Можно так подобрать напряжение на отражателе, что те и другие будут возвращаться к резонатору одновременно. При этом образуются сгустки электронов, которые отдают резонатору значительно больше энергии, чем тот тратит ее на изменение скорости однородного потока.

  Рис. 16.24 Рис. 16.25

16.6.3. Магнетрон

Одним из распространенных генераторов СВЧ является магнетрон. Магнетроны работают в диапазонах дециметровых, но чаще сантиметровых и миллиметровых волн. Они способны развивать в импульсе (на сантиметровых волнах) мощности в десятки мегаватт при очень высоким КПД, достигающем 6070%. Такие магнетроны используются в радиолокации. Другой областью применения магнетронов является СВЧ нагрев различных материалов. Такие магнетроны обладают мощностью генерации порядка нескольких ватт и используются в промышленности и в бытовой технике. (СВЧ печи).

 


 а) б)

 Рис. 16.26

Магнетрон представляет собой двухэлектродную лампу (рис. 16.26а), в которой электроны двигаются под действием электрического и перпендикулярного к нему магнитного полей. В результате действия силы Лоренца траектории движения электронов искривляются. В теле анода (анодного блока) делают симметрично расположенные по окружности отверстия или щели (прорези) (рис. 16.26б), в результате чего анод превращается в несколько (от 6 до 40) связанных между собой резонаторов СВЧ.

Часть анодного блока, заключенная между двумя соседними щелями, называется сегментом.

Колебания в магнетроне поддерживаются за счет энергии источника постоянного напряжения, включенного между анодом и катодом (рис. 16.26а). С помощью электронного потока, ускоряемого постоянным электрическим полем между анодом и катодом и взаимодействующего с переменным электрическим полем вблизи щелей резонаторов, энергию от источника напряжения удается передать потоку электронов, а затем полю волны в резонаторе. Такую направленную передачу энергии можно осуществить, как известно из теории клистрона, если электронный поток взаимодействует с переменным электрическим полем определенной фазы. Для этого электронный поток должен быть сгруппирован в сгустки, время прохождения которых вблизи щели резонатора совпадало бы со временем существования там поля в нужной фазе.

Движение электронов от катода к аноду в магнетроне происходит не во всех азимутальных направлениях равномерно изза различных знаков переменного напряжения на сегментах. Потоки электронов к аноду создаются лишь в некоторых областях пространства взаимодействия между анодом и катодом, образуя так называемые электронные спицы. Число спиц зависит от характера высокочастотных колебаний и в наиболее распространенном случае работы магнетрона равно половине числа резонаторов. Электроны в спице перемещаются к аноду по сложным петлеобразным траекториям, т. к. характер их движения определяется суммарным воздействием постоянного и переменного электрических полей и постоянного магнитного поля. Спицы вращаются в пространстве со скоростью, зависящей от частоты колебаний и фазовых соотношений для полей двух соседних резонаторов. В моменты прохождения спицы мимо резонатора электроны передают часть своей энергии полю резонатора. Электроны, отдавшие свою энергию полю, непрерывно уходят на анод, а спицы пополняются новыми электронами, эмитированными катодами.

Возбуждение колебаний в одном из резонаторов приводит к возникновению колебаний в остальных. Энергия из колебательной системы отводится в нагрузку с помощью коаксиальной линии с петлей связи в резонаторе (рис. 16.26б) или волноводной линии через щель в стенке резонатора, закрытую стеклянной или керамической вакуумной перегородкой.

Контрольные вопросы

Укажите классификацию генераторов.

Опишите автогенератор как нелинейный усилитель с положительной обратной связью. Что такое баланс амплитуд и фаз в автогенераторе?

Каковы условия самовозбуждения автогенератора?

Нарисуйте схему и объясните принцип действия RC автогенератора гармонических колебаний.

Нарисуйте схемы и объясните принцип действия LC автогенератора гармонических колебаний.

Какие особенности релаксационных генераторов вы знаете?

Нарисуйте схему и объясните принцип действия блокинггенератора.

Нарисуйте схему и объясните принцип действия мультивибратора.

Нарисуйте схему и объясните принцип действия диодного  генератора сверхвысоких частот.

Расскажите принципы действия пролетного клистрона и клистронного генератора и области их применения.

Расскажите принцип действия магнетрона и области его применения.

Объясните принципы действия лазеров и области их применения.

13. Определите амплитуду стационарных колебаний в автогенераторе по заданной амплитудной характеристике усилителя и коэффициенту обратной связи при мягком режиме возбуждения.

14. Определите амплитуду стационарных колебаний в автогенераторе по заданной зависимости коэффициента усиления от амплитуды входного напряжения усилителя и коэффициенту обратной связи при жестком режиме возбуждения

Резонанс напряжений Резонансом в цепях переменного тока, содержащих индуктивные и емкостные элементы, называется явление совпадения по фазе векторов тока и напряжения на входе цепи или на участке цепи, при этом cos = 1, = 0. Резонанс напряжений наблюдается в последовательном колебательном контуре.
Функциональная классификация интегральных микросхем